sociedad española de informática de la salud - año …fundamental en la teoría del conocimiento,...

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Año 2009. Sumario nº 77

Director:Salvador Arribas Valiente

Comité Editorial:Javier Carnicero Giménez de Azcárate

Luciano Sáez Ayerra Miguel Chavarría DíazMarcial García Rojo

Consejo de Redacción:Alberto Gómez Lafón Antonio Poncel Falcó Begoña Otalora Ariño Carlos García Codina Carlos Jiménez CantosCristina Cuevas Santos

Fernando Martín SánchezIsabel Aponte RivarolaJosé Lagarto Fernández

José Luis Monteagudo PeñaJulio Moreno GonzálezMaría Rovira Barberá

Rodrigo García AzurmendiJosé Luis Carrasco de la Peña

Vicente HernándezRosa Valenzuela

Fernando BezaresEmilio Aced

Colaborador Técnico:Diego Sáez Tovar

INFORMACIÓN, PUBLICIDAD,SUSCRIPCIONES Y DISTRIBUCIÓN:

CEFIC. C/ Enrique Larreta, 5 Bajo Izda

28036 MadridTlfno: 91 - 388 94 78Fax: 91 - 388 94 79

e-mail: [email protected]

Producción Editorial:

DL: M-12746-1992ISSN: 1579-8070

Los artículos revisiones y cartas publicadas en I+S, representanla opinión de los autores y no reflejan la de la Sociedad Española

de Informática de la Salud

SOCIOS TECNOLÓGICOS

COLABORADORES TECNOLÓGICOS

EDITORIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Rosa Valenzuela Juan

• Sistema de teleasistencia basado en un robot asistencialUniversidad de Alcalá. Departamento de Electrónica

• La robótica al servicio de la salud: Caso de aplicación robótica para la atención sanitaria de la salud infantil . . . . . . . . . . . . . . . . . 9C. Suárez Mejías, C. Parra Calderón, S. Fínez Martinez, C. Angulo Bahon,D. López De Ipiña, R. Del Coso López, M. Loichate Cid,D. del Río Rodríguez, S. Plana Farnós, P. Bustos Gacía, A. Yuste Marco,F. Massana Guitart, J. L. Lázaro Cornejo, J. L. Rey Serrano

• Silla de Ruedas Robótica con Interfaz de Comunicación por PDAComandada por Señales Cerebrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .André Ferreira, Rafael Leal Silva, Teodiano Freire Bastos-Filho y Mário Sarcinelli-Filho

• Robótica y prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Jesús Manuel Dorador González

• Neuro-Robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Zoe Falomir Llansola

• Sistema Quirúrgico daVinci® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Lluïsa Arbat

• Formación en cirugía experimental endoscópica asistida por robot: un nuevo paradigma de entrenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Chaves Vinagre J., Villén Sánchez J.A., Sánchez Carrión J.M.,Vázquez Granados J. y el equipo de trabajo de la Fundación Iavante

Tel: 954 29 66 66 • Fax: 954 61 25 99E-mail: [email protected]

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• COMPLEJO HOSPITALARIO UNIVERSITARIODE VIGO

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• CONSEJO GENERAL DE COLEGIOS OFICIALES DE FARMACÉUTICOS

• CONSORCIO HOSPITAL GENERAL UNIVERSITARIO DE VALENCIA

• EMC

• EMERGRAF, S.L. CREACIONES GRÁFICAS

• EMPRESA PUBLICA HOSPITAL ALTO GUADALQUIVIR

• EVERIS

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• HEWLETT PACKARD

• HOSPITAL CLINIC. SISTEMAS DE INFORMACIÓN

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• XUNTA DE GALICIA. CONSEJERÍA DE SANIDAD

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Entidades Colaboradoras

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Monográfico: La Robótica al Servicio de la Salud

El papel que juegan las tecnologías de la informaciónen el reto de la mejora continua de la calidad en lasanidad es cada vez más importante. Una muestra deello es la acción i2010 de la Unión Europea que pre-tende fomentar la inclusión social, la mejora de los ser-vicios públicos y la calidad de vida a través de las TIC.

En este sentido, el Plan de Calidad para el SistemaNacional de Salud es la herramienta, dentro delMinisterio de Sanidad y Consumo como coordinadordel Sistema Nacional de Salud, que pretende entreotros objetivos fomentar la excelencia clínica y utilizarlas tecnologías de la información para mejorar la aten-ción de los ciudadanos.

El fomento de la excelencia clínica pasa por contribuira la mejora de la práctica clínica. De la mano de lastecnologías de la información, asumimos el compromi-so de conseguir la excelencia en la atención, el cuida-do y la seguridad de los pacientes.

LA ROBÓTICA, UN INSTRUMENTO MÁS EN BÚSQUEDA DELA EXCELENCIA CLÍNICA

La robótica ha venido a revolucionar el campo de lamedicina y actualmente posee diversas aplicaciones alservicio de la salud. Aunque muchas de estas aplicacio-nes están aún en fase de prueba e investigación,muchas otras ya se emplean alrededor del mundo conresultados muy satisfactorios.

Algunas aplicaciones de la robótica en medicinaincluyen, la Cirugía robótica, que ha venido ha trans-formar las prácticas quirúrgicas convencionales, redu-ciendo los márgenes de error en las intervenciones. Hoyen día la cirugía robótica es una realidad, que permi-te al médico operar desde la habitación contigua obien a muchos kilómetros del paciente. Así se habla dela tele-cirugía y del tele-diagnóstico. La cirugía robóti-ca ofrece al paciente muchos beneficios, entre ellos:una internación más corta, menos dolor, cicatrices máspequeñas, menor pérdida de sangre, menos transfusio-nes, menor riesgo de infección, recuperación más rápi-da. La robótica permite a los cirujanos lograr una mayorprecisión en las intervenciones y les permite explorar elcampo quirúrgico con la ayuda de una magnificaciónsimilar a la que existe en la microcirugía; Los robots

asistenciales están concebidos para aliviar la presión enlos hospitales, permitiendo con ello al staff médico dedi-car más tiempo a la atención de los pacientes. Estosenfermeros robóticos estarían equipados para realizardiversas tareas básicas como: tareas de limpieza, deinformación, repartir medicinas entre los pacientes, con-trolar la temperatura remota con termómetros láser,orientar a las visitas a través del hospital, entre otros; Lasprótesis inteligentes se utilizan desde hace ya variosaños, permitiendo la restitución de partes dañadas delaparato locomotor; Los Exoesqueletos y órtesis activasson dispositivos biónicos avanzados, que se adjuntan alcuerpo para mejorar y potenciar las capacidades deéste. Se les denomina también “ropa-robótica” y bene-fician a las personas discapacitadas, ayudándoles amejorar su calidad de vida y desplazamiento; LaRobótica terapéutica se utiliza en el ámbito hospitala-rio, ambulatorio o domiciliario para proveer una rehabi-litación acelerada a pacientes que han sufrido enferme-dades o accidentes que les han mermado sus funcionesmotoras. El campo de la robótica de la rehabilitaciónincluye: miembros artificiales, robots de soporte a tera-pias de rehabilitación o robots que proveen asistenciapersonal en hospitales.

Como podemos ver, el campo de acción de la robóti-ca en el área de la medicina y la salud es bastanteamplio y apunta a seguir creciendo cada día más. Através del uso de la tecnología robótica, simuladoresvirtuales, maniquíes y modelos de experimentaciónanimal, los profesionales de la medicina pueden desa-rrollar nuevas técnicas para los casos más críticos omenos conocidos mediante la utilización de simulado-res a escala real. Con todo ello se persigue mejorar laformación y rendimiento de los médicos, pero con elobjetivo de mejorar la seguridad de los pacientes.

La Robótica es un instrumento más en la búsquedade la excelencia médica, tanto desde el perfil médicocomo quirúrgico. La palabra clave en este sentido -y queno debemos olvidar- es la confianza entre el enfermo yel médico y por tanto, la relación directa entre ellos.

Una vez mas las la TICs, a través de la robótica ayudana prestar una mejor asistencia a los pacientes, al tiem-po que ayuda al facultativo en su trabajo, teniendo encuenta que éste es el principal creador.

Editorial

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Introducción

La novela de ciencia ficción “1984”1 escrita en 1950por George Orwell, describe que en 1984 el mundoestaría controlado por computadoras; el escenarioplanteado equivale a una prisión abierta, el “BigBrother” controla en exceso todos los aspectos de lavida de los habitantes de “Oceanía”. Leí este libro hacealgún tiempo y esto no fue real, o al menos no tenía-mos conciencia de qué tan real era este control. En1984, la informática mostraba avances extraordinarios,avances de una era dorada que crecía.

El año 1985, William Gibson2, novelista de ciencia fic-ción, publicó la novela “Neu-romante”, en la que narracómo vive la gente en un mundo de información, unmundo que controla la ¨matrix¨, la suma interconecta-da de todas las redes de computadoras del mundo: Elciberespacio. Hoy, esto es una realidad que ya noimpresiona a nadie, pues millones de personas´´viven´´, literalmente, en y del ciberespacio y el núme-ro se incrementa cada día.

La cibernética incursionó en la salud desde hace algomás de 25 años, y la velocidad del desarrollo y delexceso de información, con frecuencia nos hace sentirfuera de contexto; por lo que en un intento de acotarel rol de la cibernética en nuestro campo, me pareceimportante bosquejar en grandes trazos, el estado delarte de la robótica al servicio de la salud.

La cibernética fue originalmente la ciencia de los meca-nismos de control y las comunicaciones, tanto en los

seres vivos como en las máquinas. Hoy es una hipercien-cia que estudia el cerebro humano e interviene decisiva-mente en el diseño de los robots. Es la cibernética unarama de la informática que digitaliza el movimiento,con todas sus implicaciones y consecuencias.

Un objeto de estudio característico de la cibernética esel problema cerebro-mente, y como una ciencia híbri-da surgida de las matemáticas y la neurofisiología esfundamental en la teoría del conocimiento, la inteli-gencia artificial, la computación, la bioelectrónica y larobótica entre otros.

La robótica aplicada a la medicina puede tenermuchos usos por lo que en este monográfico hemosdecidido hacer una clasificación de artículos en dife-rentes campos, presentados a continuación:

ROBÓTICA ASISTENCIAL

Enrique Varela Cruceiro, director del Departamento deTecnología Accesible e I+D de la Fundación ONCEexponía en el congreso [drt4all]3 la cruda realidad quehasta nuestros días ha sido predominante en el desa-rrollo tecnológico: “Desde tiempos inmemoriales se hautilizado la tecnología como extensión de las capaci-dades del hombre, sin embargo, cada vez que apare-cen nuevos grupos de tecnologías, se excluyen a deter-minados colectivos que no pueden utilizarlas por razo-nes diversas (TAM-TAM vs. sordos, Señales de humo vs.ciegos), es entonces cuando la tecnología convierte el

LA ROBÓTICAAL SERVICIO DE LA SALUDCoordinadora: Rosa Valenzuela Juan __________________________________________________________Sociedad Española de Informática de la Salud

1 Orwell G. 1984 Barcelona: Destinos; 1952.2 Gibson W. Neuromante. Madrid: Minotauro; 1985.3 Disponible en http://www.drt4all.org/drt/es/

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término discapacidad en minusvalía”. Sin embargo, notiene porque continuar siendo así, “podemos hablar detecnología para el disfrute y la mejora de la vida”.

Las nuevas tecnologías despiertan innumerablesexpectativas en todos nosotros, ya que son fuente deuna continua revolución que está cambiando nuestraforma de vivir. La robótica no es una excepción, y paralas personas con determinado tipo de discapacidad, esindudable que esas expectativas están sobradamentejustificadas. En su caso no se trata de tecnologías super-fluas, sino que son ayudas técnicas que mejoran suscondiciones de vida, calidad, independencia, y auto-nomía personal. Para estos colectivos, este tipo de tec-nología no es un lujo, sino una necesidad, y esta es laperspectiva con la que debe contemplarse la tecnolo-gía aplicada a la discapacidad, ya que la robótica abrelas puertas a la recuperación de gran parte de la auto-nomía personal. Es pues, en la asistencia a las personasmayores, discapacitadas o dependientes, donde laaplicación de sistemas robóticos y teleasistenciales sehace más que necesaria.

Sin embargo, nuevas tecnologías o sistemas robóticosson términos que todavía un segmento de la pobla-ción no comprende. Existe un grupo poblacional conmás de 50 años que se sienten discriminados ante latecnología. La tecnología puede favorecer y permitir lacomunicación, la movilidad, las relaciones, el cuidadoy las actividades de la vida diaria, pero en general,existe un gran desconocimiento de las prestaciones, desus posibles aplicaciones y de sus posibilidades paraconseguir un aumento del bienestar.

Como hemos dicho, la robótica asistencial y accesiblemejora el confort, ya que puede adaptarse a cualquierestilo de vida, reduciendo el trabajo doméstico y losdesplazamientos, facilitando el manejo de los dispositi-vos, incrementando la seguridad, etc., pero a su vezplantea nuevos problemas ya que, depositar la con-fianza sobre un sistema tecnológico es difícil, sobretodo si se depende de él para la realización de las acti-vidades cotidianas, o se necesita como nexo de unióncon el exterior, o para la propia movilidad.

La integración de robots asistentes requiere de desarro-llo de sistemas avanzados de interacción y coopera-ción con los humanos que precisan de sistemas mecá-nicos más ligeros que no supongan un peligro para laspersonas. Estos sistemas requieren la integración denuevos materiales, control, electrónica y diseño.Además se deben mejorar los interfaces de usuario

que permitan a las personas sin conocimientos derobótica controlar e interactuar con los robots y siste-mas de forma natural. Para lograr estos objetivos espreciso dotar a los robots de capacidades cognitivasque conlleven un mayor esfuerzo para mejorar elaprendizaje y razonamiento.

En los últimos años el desarrollo de los robots humanoi-des han avanzado especialmente en términos de dise-ño electrónico, mecánico, movimiento y perceptivo.Japón es sin duda el país que más a apostado por eldesarrollo de los robots humanoides. Además es desta-car que la investigación en el campo de los robotshumanoides ha sido liderada por grandes compañías.Así por ejemplo Honda ha desarrollado un robot huma-noide en cuya versión actual se llama ASIMO durantelos últimos 15 años. ASIMO de apariencia humana conbrazos y piernas puede caminar, mover brazos ymanos si bien tiene todavía capacidades limitadas decoordinación ojo-mano para la manipulación y apren-sión de objetos.

Del mismo modo Sony ha desarrollado el robot SDR-3Xcon 24 articulaciones capaz de caminar, saludar, bai-lar, etc., además incorpora micrófonos para el recono-cimiento vocal. Fujitsu ha desarrollado el robot huma-noide HOAP-1, un robot de solo 48 cm de altura y 6 kgde peso con 20 grados de libertad, programable enRTlinux ejecutándose en un computador externo quese comunica con el robot a través de puerto Usb.

Recientemente se ha desarrollado Pino, un robot huma-noide muy popular en Japón y que se vende con diver-sos extras. Además, Pino ha sido diseñado para sermanejado por por personal no muy especializado deforma que puede montarse y desmontarse fácilmente, ydispone de una arquitectura abierta para poder desarro-llar aplicaciones de investigación de robótica humanoi-de, especialmente estudiantes y jóvenes investigadores.

En estados Unidos la investigación en robótica huma-noide a diferencia de Japón se ha centrado más enaspectos cognitivos y comunicación con los robots queen locomoción. Entre los desarrollos cabe destacar elrobot Kismet, realizado por el laboratorio deInteligencia Artificial del MIT. Kismet es una cabezarobótica con capacidad visual, auditiva, vocal y demovimiento capaz de expresar diferentes estados deánimo en función de estímulos externos, así como rea-lizar diferentes operaciones de seguimiento de caras yobjetos.

En Europa se ha prestado más atención en el desarro-llo de robots asistentes que en el desarrollo de robotshumanoides con capacidades de movimiento median-te piernas. Algunos de los proyectos desarrollados enlos últimos años son el proyecto europeo Syneragh y elIST-FET Paloma, ejemplos de implementación modelosde coordinación sensorial motora en sistemas robóticascon inspiración biológica. El robot baby-bot desarrolla-do en la universidad de Génova, es un robot para estu-diar la evolución sensorial motora de los bebés. Otroejemplo de robot asistente es el desarrollado por laUniversidad de Karlsruhe, denominado ARMAR. Elrobot se desplaza mediante ruedas y está dotado dedos brazos antropomórficos para realizar labores demanipulación.

Los retos tecnológicos a conseguir en los próximos añosen el campo de la robótica asistencial son:

• Desarrollo de sistemas con autonomía capaces deaprender del usuario y de la propia experiencia delrobot.

• Desarrollo de sistemas de percepción del entorno ydel usuario. Los sistemas de percepción han de sermás robustos y fiables para poder lograr mayoresniveles cognitivos y de razonamiento.

• Desarrollo de interfaces que permitan la interaccióne integración del usuario. Este campo incluye diseñode pieles artificiales para el guiado táctil del robot,seguimiento tridimensional de los humanos, recono-cimiento de actividades para la planificación deacciones en el contexto adecuado.

• Desarrollo de sistemas cognitivos y de razonamientoque permitan operar en entornos no estructurados ydinámicos.

• Diseño de arquitecturas modulares para el desarrollode sistemas robustos con capacidades avanzadas deasistencia.

LA BIORROBÓTICA

Un campo con gran futuro es la ´biorrobótica´ que tam-bién se ha convertido en una nueva utopía científica:la fusión de la biología con la robótica. Un equipo decientíficos de la universidad de los Ángeles lideradospor el profesor Carlos Montemagno presentó a finalesde Febrero de 2004 en la revista especializada NewScientist4, una máquina que denominó musculobotque es capaz de moverse sin necesidad de contar con

baterías u otra fuente de energía eléctrica. Este micro-rrobot es capaz de mover sus piernas gracias a las pul-saciones de un músculo vivo del corazón de un ani-mal, en concreto de una rata. Si este nuevo campo deinvestigación se consolida, los frutos esperados puedenser de un impacto enorme, permitiendo, entre otrasnumerosas aplicaciones, que personas parapléjicasrecuperen al menos parte de su movilidad gracias asofisticadas prótesis robóticas y sillas de ruedas controla-das por los impulsos neuronales del cerebro humano.El musculobot podría solucionar el problema de las per-sonas paralíticas que precisan de un ventilador pararespirar. Estos pacientes necesitan utilizar grandes ven-tiladores que deben llevar encima para poder seguirviviendo, si no desean estar postrados en la cama.

Algunos otros resultados espectaculares realizados enexperimentos preliminares con animales y personasson: El brazo mecánico de una rata, en 1999, el inves-tigador estadounidense Jean Chapin y su equipo logra-ron conseguir crear un brazo mecánico que podíaaccionarse con los impulsos cerebrales de ratas;Movimiento del cursor de un computador con lamente, en el 2004, el científico aleman NielsBirbaumer, de la Universidad de Tübingen, diseñó unsistema para que los paralíticos privados de hablapudieran comunicarse con otras personas. La técnicalogró conectar el cerebro de estos minusválidos a uncomputador que les permitía seleccionar las letras delalfabeto con un cursor y escribir mensajes sobre unapantalla, mediante los impulsos neuronales que reco-gía un electroencefalógrafo; Una silla guíada por elcerebro, en este caso el investigador español, JoséMillan del Instituto Dalle Molle de Inteligencia Artificial,en Suiza, lograron diseñar el prototipo de una silla deruedas (un pequeño robot que era una silla de ruedasen miniatura) controlada por el cerebro de una perso-na; Un brazo robótico impulsado por la mente de unapersona, el equipo de Miguel Nicolelis, de laUniversidad de Duke, entre los que se encuentra elcientífico español, José Carmena, ha presentado unestudio que prueba que la mente de una personapuede controlar una prótesis artificial.

Otro campo en el que la Biorrobótica tendrá una granincidencia será en las máquinas que se han venido enllamar “máquinas de la creatividad o máquinas creati-vas”5. Estas máquinas no más que programas informá-ticos que emulan las características propias de los seres

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4 Disponible en http://www.newscientist.com/article/mg18124363.500-first-robot-moved-by-muscle-power.html5 Disponible en El Mundo (artículo de Angel Díaz en suplemento de Ciencia, 24 de Febrero de 2004, p. 29). Este proyecto cuya denominación es World

Brain (Cerebro Mundial) y se realiza en la empresa presidida por Thaler, Imagnation Engines, en St. Louis (Missouri, USA)

humanos. Estas máquinas creativas se basan en un sis-tema de redes neuronales artificiales que simulan elfuncionamiento de un cerebro animal: además derelacionar distintos datos o pautas, son capaces de uti-lizar su experiencia para inventar nuevos pensamien-tos o ideas. Es decir, estas máquinas se comportanigual que nosotros al emplear la “experiencia acumu-lada, y no sólo lo que nuestros sentidos nos dicen encada momento”. Estos ordenadores podrán detectar elestado físico y emocional de las personas y como hacontado “el padre” del proyecto, Stephen Thaler, apor-ta grandes ventajas comparados con los algoritmosgenéticos, que se basan en la teoría de la evolución,ya que se basan en las redes neuronales biológicas yno en el sistema genético.

En Febrero de 2004, la revista Nature presentó el pri-mer prototipo de robot científico. El equipo del profe-sor Stephen Oliver, de la Universidad de Manchester, hacreado un sistema informático que permite diseñarexperimentos e interpretar resultados y que se ha crea-do a partir de las técnicas de inteligencia artificial,capaz de formular teorías sobre los mecanismos bioló-gicos, realizar experimentos genéticos o de otra índolepara validarlas e interpretar los resultados. El softwaredel robot está formado, entre otros elementos, por unaespecie de enciclopedia del conocimiento acumuladosobre el problema biológico que se plantea, un motorde razonamiento lógico, un sistema de generación dehipótesis y, naturalmente, la metodología para selec-cionar los experimentos necesarios para demostrar si lasuposición de partida es acertada.

Muchos de estos proyectos tienen una incidencia direc-ta en las Ciencias de la Salud. Al igual que ahora ensu centro de Salud tiene su historia clínica, debemospensar que en ese futuro que llegará, estará la histo-ria de su vida y su biología, de modo que una simpleextracción de una muestra de sangre, permitirá suanálisis inmediato y con la ayuda de estos “robot cien-tíficos” que hemos reseñado anteriormente, se podrátener de inmediato el análisis de la función de losgenes, es decir la genómica funcional, y en conse-cuencia sus resultados e interpretación de los mismos,y en algunos casos la posibilidad de llevar incluida laterapia correspondiente.

LA ROBÓTICA QUIRÚRGICA

El término de Cirugía asistida por ordenador (CAS:Computer Aided Surgery) se asimila fácilmente partien-do del término Diseño Asistido por ordenador (CAD), esdecir, CAS es la tecnología de simulación quirúrgica

usando la reconstrucción tridimensional de modelos deórganos, a través de una computadora.

Las primeras personas que comenzaron la investiga-ción por esta vía fueron los profesores japonesesTakeyoshi Dohi y Masakazu Tsuzuki, en la universidadde Tokio. De esta manera aparece toda una genera-ción de métodos de cirugía usando técnicas talescomo robótica y realidad virtual. El CAS cubre:

• Planificación de operaciones:

• Procesamiento y visualización de imágenes médicas:exploraciones internas, ultrasonidos, angiografías.

• Simulación quirúrgica: empleando informaciónvisual se puede optimizar el proceso de operación.

• Simulación visual de procesos internos (endoscopia,ultrasonidos, visualización estereoscópica de la ope-ración,…).

• Ensayos de la operación a través de simuladores.

• Desarrollo de la operación:

• Guiado y posicionamiento de material quirúrgicodurante la operación.

• Medida de la posición de una herramienta.

• Registro de imágenes antes y después de la operación.

• Control del paciente y desarrollo de tareas: robotsanestésicos,...

• Interfaces adecuados para la tele operación a distancia.

• Empleo de herramientas: láser quirúrgico, robots demicrocirugía,...

• Tratamiento y recuperación de enfermedades:

• Diseño de prótesis.

En muchas de estas técnicas tienen cabida, y en algu-nas vital importancia, el empleo de robots, facilitandoenormemente el trabajo de las personas y la calidadde vida del paciente.

Desde 1990 las intervenciones asistidas por robots sehan convertido en algo muy interesante en la cirugía.A diferencia de otras vías, la robótica se ha considera-do como el medio para desarrollar la revolución de lamedicina. Actualmente, aún se está comenzando adesarrollar este método.

Sin lugar a duda, hay numerosas razones para conside-rar de gran utilidad a los robots en un quirófanopudiendo satisfacer muchas cuestiones tales como:

• Los robots mantienen constante su “modo” de traba-jo: no muestran cansancio, mal humor, desgana,...10


• El comportamiento del robot en la operación es per-fectamente conocido antes de realizarse la opera-ción, pudiendo estudiar el método de operación ycorregir defectos.

• Los robots carecen de vibraciones, tales como las pro-pias del pulso humano.

• os robots poseen una precisión de movimientosespacial mucho más exacta que la de una persona.

• Los robots pueden reaccionar mucho más deprisaque un médico.

• Un robot se puede dirigir perfectamente desde unlugar remoto, siendo innecesaria la presencia mate-rial de un cirujano en el quirófano.

• Varios robots se pueden coordinar entre sí para reali-zar en milisegundos complejos movimientos.

Actualmente se pueden clasificar los robos existentesen cuatro categorías:

• Robots teleoperados para operaciones con mínimainvasión: son robots con control a distancia en el qui-rófano, dirigidos por voz, un joystick y más dispositi-vos para una manipulación maestra. Los robots enningún momento trabajan de forma autónoma:normalmente realizan la función de mover lacámara endoscópica y, en algunos casos, mueveninstrumental.

• Robots autónomos: se emplean solamente en tareasde taladrado y corte en el fémur en las operacionesde sustitución de la cadera. Tras sujetar la pierna ymediante un sistema de visión se define su posicióny orientación, entonces el robot taladra. Si en algúnmomento detecta cualquier anomalía en el desarro-llo de la tarea, el robot se detiene.

• Robots de navegación interactiva: son herramientasde soporte que cargan, mueven y guían herramien-tas médicas. La manera de navegación se basa enel registro de escenarios, como en los robots autó-nomos. Este tipo de robots no necesitan ser progra-mados y no funcionan automáticamente, peropueden ser enseñados por el cirujano durante laoperación. El robot se mueve exclusivamente pororden del cirujano con total libertad en un espaciorestringido.

• Micro máquinas: son robots pequeños dedicados atareas especiales como cosido automático, empal-me de venas y biopsias automáticas. Pueden ser

utilizadas por otros robots como instrumentos pero,en realidad, son mas máquinas que robots.

A continuación se describen algunos desarrollos derobots de asistencia en la cirugía:

DA VINCI6

El 24 de agosto de 1999 un equipo de médicos alema-nes concretó con éxito la primera operación efectuadacompletamente con un brazo robótico, en el departa-mento de Cirugía Cardiovascular y Torácica del HospitalJohann Wolfgang von Goethe.

Con Da Vinci, el cirujano controla por medio de unaconsola el brazo robótico que sostiene los instrumentosquirúrgicos. Está sentado frente a un computador, elcual reproduce una imagen de alta resolución -en tresdimensiones- del campo operatorio, además de todala información necesaria, como los signos vitales delpaciente. Las manos del médico descansan bajo laconsola, mientras manipula una recreación de los ins-trumentos que utiliza el brazo robótico para la cirugía,con la flexibilidad requerida.

Cada movimiento que efectúa el cirujano es transmiti-do en tiempo real hacia el robot, quien los reproducecon la flexibilidad y exactitud necesarias. Claro que, enun proceso que dura milésimas de segundo, Da Vincise asegura de haber “entendido” la orden entregadapor el médico.

ROBODOC7

El robot Robodoc es especialista en operaciones decadera. Éste es un robot mucho más difundido que elDa Vinci, con más de 40 unidades en Europa, protago-nista por el momento de 4.000 intervenciones. En lasoperaciones de reemplazo de cadera es fundamentalque la prótesis encaje bien con el extremo del fémur,donde previamente se ha abierto un agujero. La preci-sión que consigue el robot es del 95%, muy superior allimado a mano del hueso.

Esta eficacia la testifica el doctor André Bauer, del cen-tro Marbella High Care, el doctor pionero en España entrabajar con ROBODOC. No obstante, Bauer manifies-ta que hoy por hoy todavía es fundamental la presen-cia física del cirujano.

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6 Este robot se ha desarrollado en la empresa Intuitive Surgical, Inc., de Mountain View, California (EE.UU.) disponible en www.intuitivesurgical.com7 Este robot está fabricado por Integrated Surgical Systems Inc. (EE.UU.) disponible en www.robodoc.com

ZEUS Y HERMES8

Zeus y Hermes son otros robots que actualmente seencuentran en ejercicio. A diferencia de Da Vinci, éstosson sólo asistentes en el pabellón y funcionan controla-dos por voz. Claro que bastan para eliminar del quiró-fano a arsenaleras, enfermeras e incluso al segundocirujano, además de controlar la anestesia.

Hermes debutó años en California, donde se realizó laprimera operación con un equipo computerizadocomandado por la voz. Fue usado para unir los liga-mentos en la rodilla de un paciente. El robot reconocesólo 100 órdenes que le permiten, por ejemplo, activarla luz y la cámara que capturan las imágenes del orga-nismo del paciente. Los comandos de voz deben sermodulados correctamente y con las palabras precisas;de lo contrario, la máquina los desconoce.

A la fecha, se han realizado 300 operaciones conHermes en Estados Unidos y en Inglaterra ya empiezana trabajar con él. La primera operación de bypass asis-tida por Zeus fue el 16 de septiembre de 1998, enMunich. El bypass de la arteria coronaria fue puesto através de tres pequeñas incisiones. Los tres brazos queconforman a Zeus eran comandados por el cirujanoque daba las distintas órdenes. El primer brazo mane-jaba el endoscopio y los dos restantes manipulaban losinstrumentos quirúrgicos. Desde 1995 a la fecha, másde 1500 operaciones en todo el mundo han sido asis-tidas o practicadas por robots, con cambios dramáticosen la cirugía: atletas profesionales pueden volver a susprácticas pocos días después de realizada la operaciónde implante ortopédico y pacientes cardiacos retornana sus actividades normales en menos de 72 horas. Noobstante, “Para cirujanos entrenados” en las técnicasabiertas convencionales, esta nueva metodologíapuede resultar frustrante. Muchos médicos están dis-conformes con la falta de control y seguridad cuandoaplican las técnicas existentes. Están ansiosos por ope-rar menos invasivamente pero, a menos que el robotsea diseñado para que ofrezca la misma seguridad yefectividad de operaciones tradicionales, los beneficiosno valen el riesgo.

MINERVA9

Minerva es un robot para neurocirugía. Presenta dife-rencias de la neurocirugía que se ha estado llevando a

cabo hasta hace muy poco, llamada método estereo-táctico, y que consistía en sujetar firmemente la cabe-za del paciente a un marco fijo, realizarle un escánery a través de unos puntos fijos y determinados guiarsepor su referencia para hacer un taladro y alcanzar elpunto deseado, según la trayectoria calculada. Unavez alcanzado el punto no había certeza alguna querealmente se estuviera en dicho punto.

Los neurocirujanos no han tardado en darse cuentaque el robot es capaz de realizar movimientos muchomás precisos y sin vibraciones típicas del pulso huma-no. Además es más rápido y trabaja en menos espa-cio, pudiendo operar directamente en la maquina derealizar el escáner. Es posible el movimiento delpaciente para realizar nuevos escáneres durante cual-quier fase de la operación y así comprobar la adecua-da penetración del instrumento, vigilar la absorción deuna hemorragia, observar la biopsia de un tumor,... (elescáner se convierte en el “ojo” de Minerva).

Las tareas del doctor quedan limitadas a seleccionar elpunto objetivo a alcanzar por el robot: Minerva seencarga de determinar el punto de entrada en el crá-neo, eliminando posibles errores al emplear algoritmosmuy complejos de calculo de la trayectoria.

Desde el punto de vista exterior al sistema, Minervaposee muchas medidas de seguridad no solo en cuan-to al dispositivo y su electrónica, sino en el diseño detrayectorias,... (de la misma forma que los sistemas deguiado aeronáutico). Además, supervisa constante-mente las ordenes dadas por el medico, para evitarposibles fallos humanos.

Se realizaron dos operaciones completamente satisfac-torias el cuatro de septiembre de 1993. Después denumerosas pruebas clínicas, el robot no solo cumpliólas expectativas en las intervenciones estereotácticas,sino que amplio gracias a sus características el campohacia nuevas operaciones más complejas.

Hemos visto que se han diseñado diversos tipos derobots que pueden asistir al cirujano en una operación.Existen los que se aplican a la microcirugía, una disci-plina que consigue intervenciones poco invasivas y enconsecuencia con un postoperatorio menos traumáticopara los pacientes. Este es el caso de las operaciones

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8 Estos robots los comercializa la compañía Computer Motion Inc. (EE.UU.). Disponible en www.computermotion.com10 Este robot ha sido desarrollado por: Swiss Federal Institute of Technology, en Lausanne (Suiza). dmtwww.epfl.ch/imt/robchir, bajo la dirección de:

Marc Epitaux – responsable de ingeniería ([email protected]). Heinz Fankhauser – jefe del equipo médico ([email protected]).

laparoscópicas, donde se introducen por pequeños ori-ficios tres apéndices: una cámara óptica, una luz y unaespecie de dedo robotizado que puede llevar desdemicropinzas a bisturís. Existen también los que se apli-can en aquellas situaciones en que se requiera unagran fuerza o precisión, como por ejemplo a la horade cortar huesos o intervenciones en la cabeza. Inclusoen éstas últimas el robot es capaz de cortar con preci-sión sin afectar a puntos vitales, recibiendo las instruc-ciones del cirujano y valiéndose de imágenes tridimen-sionales de la anatomía interna del paciente.

La Robótica Quirúrgica es una herramienta más, peroes inteligente, ya que trata de compensar las deficien-cias y limitaciones que pueda tener el cirujano pararealizar ciertas actuaciones. De este modo, se haceposible la implantación de algunas técnicas de cirugíamínimamente invasiva gracias a la utilización de ayu-das de soportes robotizados, consiguiendo minimizar

la herida, reducir el tiempo de intervención y el de pos-terior recuperación.

El robot puede ayudar a la percepción; además,memoriza una posición o hace la función de una reglao accede a un punto determinado con gran precisión.Ayudas de este estilo suponen la diferencia en quealgunas intervenciones se realicen o no. Los equiposdesarrollados pueden ser desde un brazo mecánicoconvencional hasta elementos de medida, como sen-sores que miden fuerza o visualizan la información deun modo más claro que como lo hace una cámara detelevisión convencional.

Como podemos ver, el campo de acción de la robóticaen el área de la medicina y la salud es bastante amplioy apunta a seguir creciendo cada día más. Quizá laúnica desventaja en la actualidad, es que es una tecno-logía bastante costosa a la que pocos tienen acceso.


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1. INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVO

El objetivo de este trabajo consiste en desarrollar un siste-ma de tele-asistencia para personas mayores y/o enfer-mas con posibilidad de ser incorporado a un robot móvilasistencial, estudiando las posibilidades de las tecnologí-as de la comunicación y de la incorporación de sensoresde constantes vitales en este tipo de aplicaciones.

Dicho sistema se implantará tanto en los centros médi-cos como en los hogares de las personas mayores y/oenfermas, y proveerá de tres funciones primarias:

• Tele-presencia: capacidad de realizar una videoconfe-rencia entre el doctor situado en un centro médico y elenfermo o persona mayor localizada en su casa. Esteinterfaz no sólo permite realizar tareas de diagnósticoy monitorización, sino que además permite realizartareas de interacción social proporcionando una vía decomunicación para personas que viven solas.

• Tele-diagnóstico: a través del enlace de videoconfe-rencia, el doctor podrá examinar al paciente permi-tiéndole realizar un diagnóstico, evitando de estemodo desplazamientos al centro de salud.

• Tele-medicina remota (tele-monitorización): Medianteel diseño de determinados interfaces se podrá recogery enviar datos del usuario (presión de la sangre, tem-peratura, ECG...) al centro médico para su análisis porparte del facultativo y de esta forma poder realizar untelediagnóstico on-line del paciente. La comunicacióncon las unidades de telemedicina se realizará a travésde Internet, con la posibilidad de incorporar módulosde tecnología bluetooth o ethernet, de modo que laconexión del usuario con el sistema completo resultelo más cómoda y sencilla posible.

La figura 1.1. muestra un esquema general del siste-ma propuesto. Dicho sistema está compuesto por unaunidad central situada en un hospital o centro médi-co y unidades personales situadas en la vivienda delenfermo.

2. La asistencia sanitaria domiciliaria

La asistencia sanitaria domiciliaria es un término utiliza-do para describir la prestación de servicios médicos espe-cializados a domicilio en vez de en un hospital, y la infra-estructura técnica que la sustenta. Este tipo de serviciosha aumentado considerablemente en los últimos años,14


SISTEMA DE TELEASISTENCIABASADO EN UN ROBOT ASISTENCIALUniversidad de Alcalá. Departamento de Electrónica___________________________________________________

Figura 1.1. Arquitectura general del sistema propuesto

al mismo tiempo que se ha producido un gran desarro-llo de los sistemas de comunicación entre las personasy las máquinas que les atienden.

En la Unión Europea existen alrededor de 80 millonesde personas mayores o con algún tipo de discapaci-dad [Witte, 94]. En España, el informe estadístico másimportante sobre población discapacitada provienede la Encuesta sobre Discapacidades, Deficiencias yMinusvalías realizada por el Instituto Nacional deEstadística (INE), de donde se deduce que más de 5.7millones de personas padecen algún tipo de discapa-cidad. El número de personas con algún tipo de disca-pacidad para desplazarse (andar) se sitúa entorno almillón, de las cuáles, un 80% precisan de ayuda téc-nica o asistencia de otra persona y un 20% de unasilla de ruedas para desplazarse. Según los datos pro-porcionados por el Instituto de Migraciones y ServiciosSociales (IMSERSO), la población española mayor de65 años en la actualidad supera los 6 millones de per-sonas, lo que representa aproximadamente el 16%del total de la población. A nivel europeo y america-no, el porcentaje de personas mayores puede consi-derarse similar al español.

A todo esto hay que añadir que numerosos estudiosmuestran una gran relación entre las discapacidadesque sufren las personas y la edad. Dado que la esperan-za de vida en los países desarrollados ha aumentadoconsiderablemente, y debido también al”baby-boom”(gran número de nacimientos ocurridos entre los años60 y 70) se estima que para el 2030 más del 30% dela población será mayor de 60 años, y una gran partede esta población experimentará problemas funciona-les y de otra índole. A estos datos habría que añadir laspersonas enfermas eventualmente, dato que aumenta-rá considerablemente el número de personas suscepti-bles de recibir asistencia sanitaria domiciliaría.

El drástico incremento de la población de la terceraedad en los próximos años puede provocar un colapsode los centros hospitalarios. Como alternativa a la hos-pitalización tradicional se vislumbra la atención domi-ciliaria, que se lleva aplicando desde hace varios añosen países como Gran Bretaña y EEUU. Las ventajas deeste sistema son claras: por un lado el sistema sanitarioevita hospitalizaciones tradicionales y fomenta las altashospitalarias, logrando ahorrar casi un tercio de los cos-tes. En cuanto a los enfermos, disminuyen las infeccio-nes, mejora la calidad de vida, se reduce el estrés ylogran conservan una parcela de independencia ytoma de decisiones difícil de mantener en un hospital.

Asimismo, los familiares ganan también en calidad devida y pueden seguir desarrollándose profesionalmen-te, sin verse obligados a prestar cuidados constantes alenfermo.

A pesar de las ventajas de la atención domiciliaria nohay que olvidar que es necesaria la presencia diaria depersonal sanitario encargado de supervisar los cuidadosy el diagnóstico del paciente. Según un estudio elabora-do en el Hospital Clínico San Carlos de Madrid se estimaque un enfermo crónico atendido por el personal sanita-rio en su propio hogar tiene un coste diario de unos 75euros, lo que supone un gasto anual de 27,375 euros[Enfermería, 98]. Aparte del coste económico que estehecho conlleva hay que tener presente que esta aten-ción tiene como objetivo supervisar los cuidados y la evo-lución que sufre el paciente, siendo realizadas median-te visitas diarias al domicilio de duración limitada. En lasociedad actual la mayoría de nuestros mayores vivende forma independiente y en domicilios distintos al delos hijos. Además, una buena parte de ellos viven solosya que el cónyuge ha fallecido. Dado que en la mayo-ría de las familias actuales trabajan todos los miembros,en gran cantidad de casos se necesitará una personaajena que cuide de nuestros mayores enfermos durantegran parte del día. Estos cuidados se deberán sumar alos del personal sanitario e incrementarán el coste porpaciente de forma considerable.

El inmenso gasto que esta práctica va a ocasionar obli-ga a la sociedad a encontrar formas alternativas deproporcionar atención sanitaria a las personas mayo-res, a la población de enfermos crónicos o enfermoseventuales según el caso.

Es en este punto donde las tecnologías de la informa-ción y comunicaciones, apoyadas también en avancesde la tecnología robótica pueden aportar soluciones quepermitan asistir a personas en sus hogares, abriendo laposibilidad a la realización de actividades de tele-consul-ta (tele-presencia), tele-diagnóstico y tele-medicina sinnecesidad de que el personal sanitario se desplace alhogar del paciente a no ser que sea imprescindible.

Conscientes del vacío existente en aplicaciones destina-das a este sector de la población, en los últimos años losgobiernos y las instituciones públicas han promovidoinvestigaciones en esta línea, siendo varios los gruposde investigación a nivel mundial que se han embarca-do en el desarrollo de proyectos de asistencia sanitaria.

De hecho, uno de los objetivos estratégicos del V pro-grama marco de la UE consistía en “materializar para

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Europa las ventajas que ofrece la sociedad de la infor-mación acelerando su desarrollo y garantizando quese satisfacen las necesidades tanto de las personascomo de las empresas”. Como parte de este objetivo,se han creado varias líneas de trabajo destinadas amejorar la calidad de vida de las personas. A este res-pecto, los servicios de asistencia domiciliaria represen-tan una prioridad en la agenda europea.

Estos servicios están destinados a permitir que lospacientes puedan recibir sus tratamientos en casa,pero para que sea posible utilizar sistemas médicos enel hogar, es esencial contar con un sistema eficientede transmisión, intercambio y seguimiento de la infor-mación. Para ello, se ha sugerido que el intercambiode información médica entre el paciente y el centrosanitario se realice con sistemas remotos de audio yvídeo. De este modo, el personal del centro de aten-ción podría comprobar las constantes vitales, monitori-zar y auscultar a los pacientes sin salir de sus oficinas.

La finalidad de las tecnologías de atención domiciliariaconsiste en desarrollar aplicaciones sencillas y fáciles de

usar que realicen un seguimiento constante de la saluddel paciente. Los servicios de seguimiento sanitario pue-den adaptarse a cualquier tipo de condición concretaque presente el usuario, y el nivel de cobertura puedeincrementarse hasta llegar a las 24 horas del día.

Un valor añadido muy importante a la asistencia domi-ciliaria es que el sistema esté incorporado en un robotasistente basado en un sistema robótico inteligente.Este robot asistente no sólo realiza tareas de tele-asis-tencia sino que permite ayudar a personas mayores y/odiscapacitadas en sus actividades de la vida diaria, ypor lo tanto, resulta de gran interés social. De estemodo la tele-asistencia se puede ver incrementadacon las siguientes actividades:

• Asistencia al guiado: Los problemas de movilidadconstituyen uno de los mayores problemas de laspersonas mayores y/o discapacitadas. Por esta razón,los robots asistenciales pueden utilizarse como “laza-rillos” en interiores o incluso en exteriores.

• Seguridad: Las personas mayores y/o discapacitadasestán sometidas a grandes riesgos en sus casas. La


falta de estabilidad o problemas al andar ocasionanque no puedan vivir una vida totalmente indepen-diente. De este modo, a través del robot puedenestar monitorizados desde una central donde se reci-ban posibles señales de alarma cuando se detectensituaciones de riesgo para el usuario.

• Interacción social: La mayoría de las personas mayo-res y/o discapacitadas sufren problemas de interacciónsocial que puede conllevar una pérdida de salud. Deeste modo se intenta que los robots asistenciales pue-dan comunicarse con las personas, permitiéndolesinteractuar con ellos a través del desarrollo de diversosinterfaces de comunicación robot asistencial - persona.

3. El auge de la robótica de servicios y asistencial

Los cambios en el campo de la robótica se han sucedi-do tan deprisa en los últimos años, que puede hablar-se de la existencia de varias generaciones desde susorígenes hasta la actualidad. La primera generaciónsurgió a principios de los años 60, y la constituyeronprincipalmente robots manipuladores, que sólo podíanrealizar movimientos repetitivos, asistidos por sensoresinternos que les permitían ejecutar ciertos movimientoscon precisión. La segunda generación de robots entraen escena a finales de los años 70, e incorpora nuevostipos de sensores (de proximidad y visión por lo gene-ral) que proporcionan al robot información del mundoexterior. Estos robots pueden ya tomar decisiones limi-tadas y reaccionar ante el entorno de trabajo. La terce-ra generación, surgida en los últimos años, emplea lainteligencia artificial y potentes ordenadores para resol-ver problemas complejos e interpretar información pro-cedente de avanzados sensores.

Todos estos progresos han permitido ampliar los cam-pos de aplicación de la robótica respecto a los de suinterés inicial, centrado principalmente en aplicacionesindustriales. Recientemente han irrumpido nuevosroles para los robots, que sin duda constituirán la ten-dencia principal en investigación en robótica durantelos próximos años. A diferencia de los tradicionalesrobots fijos de manipulación y fabricación, estos nuevosrobots móviles pueden realizar tareas en un grannúmero de entornos distintos. A estos robots no indus-triales se les conoce como robots de servicio.

El robot de servicio tiene como objetivo desarrollar tare-as útiles para la sociedad [Schraft94]. Se trata de sacarlos robots a la luz del día desde su confinamientoindustrial, y desarrollar robots autónomos que puedanrealizar diferentes tipos de tareas en los lugares en quenormalmente transcurre la vida diaria de las personas.

Las aplicaciones son innumerables, y actualmente exis-ten prototipos experimentales para muchas de ellas.Por ejemplo, robots que recorren los pasillos de los hos-pitales y cárceles para servir alimentos [Borenstein85],otros que navegan en oficinas para repartir el correo alos empleados [Simmons97], robots vigilantes o guíasde museos [Burgard98], robots aspiradora que limpianautónomamente [Ulrich97], robots camareros[Maxwell99], o coches robotizados que pueden circu-lar en autopistas sin intervención del conductor o apar-car solos [Dickmanns94]. En el campo de la medicinadestacan las aplicaciones para ayudar a la cirugía [DAVINCI] [ZEUS]. Por otro lado, los robots de servicios sonespecialmente adecuados para trabajos en áreas peli-grosas o inaccesibles para el ser humano, como en ladesactivación de bombas y en entornos contaminadosradioactiva y químicamente [Nicoud96].

Un tipo particular, de especial interés dentro de losrobots de servicio, son los robots de asistencia personalo asistenciales. El factor diferenciador de estos robots esque están destinados a aplicaciones en que se requie-re un mayor nivel de interacción con el usuario final.Un campo de aplicación de gran importancia a nivelsocial es la asistencia a personas mayores o con algúntipo de discapacidad, en entornos específicos comohospitales, residencias e incluso hogares particulares[Kawamura94] [Gugilelmelli96]. Ejemplos de este tipode aplicaciones son las sillas de ruedas semiautónomasque se guían mediante órdenes verbales, robots lazari-llo o robots para alimentar a personas que carezcan demovilidad en los brazos.

Las primeras realizaciones prácticas en robótica asisten-cial se basaron en la utilización de robots industrialescon adaptaciones para este tipo de aplicaciones. Sinembargo, las necesidades propias del campo asisten-cial han llevado a la realización de robots con estructu-ras específicamente diseñadas para las aplicacionesconcretas para las que han sido concebidos. Así, porejemplo, la seguridad del usuario es un factor esencial.Mientras en el contexto industrial el robot está normal-mente aislado del entorno de operación humana, elrobot asistencial debe en general operar cerca delusuario, e incluso en contacto con él. Para ello es pre-ciso disponer de dispositivos de seguridad, que asegu-ren la fiabilidad y robustez del sistema ante las reaccio-nes del usuario, pero que a su vez no requieran de suintervención para la resolución de los problemas quepuedan surgir durante su funcionamiento, asegurandola máxima autonomía del sistema.

El crecimiento revolucionario en el empleo de robotscomo dispositivos de ayuda personal y a la discapacidad

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es un indicador de que los robots desempeñarán unimportante papel en el futuro. Probablemente, losrobots se encuentran en ese momento crítico antes desu explosión de mercado, como lo estuvieron los PCsen 1975. El campo de la robótica se desbordará cuan-do los robots sean de dominio público, y esta revolu-ción exigirá que la gente de la era de la informaciónaprenda a “convivir” y “relacionarse” con los robots,como instrumentos habituales en su vida cotidiana.

4. Marco de desarrollo del trabajo

Una de las aplicaciones de los robots asistenciales conmayor impacto social es la asistencia a personas mayo-res y/o enfermas. La mejora de la sanidad, los avancesde la tecnología médica y mejores condiciones de vida,han provocado un fuerte incremento de la esperanzade vida. En las últimas dos décadas, la población espa-ñola de 65 o más años ha aumentado en un 66.9%,desde los 4.4 millones de personas en 1978 hasta los7.3 millones de 2001, sobrepasando los cambios regis-trados por cualquier otra magnitud demográfica como,por ejemplo, la población total, que sólo creció un9.0%. Después del avance de este segmento de pobla-ción, su peso relativo sobre el total ha pasado del12.2% al 18.7% entre 1978 y 2001 [Fuente: InstitutoNacional de Estadística INE, 2002]. Este fenómeno deenvejecimiento de la población se extiende igualmen-te a la mayor parte de los países desarrollados.

Sin embargo, el menor tamaño familiar en las genera-ciones jóvenes, así como el estilo de vida impuesto porla sociedad actual, hacen que cada vez sea mayor elnumero de personas mayores dependientes que se venobligadas a vivir solas en sus casas, o a desenvolverseen lugares públicos sin la asistencia necesaria paragarantizar su seguridad y calidad de vida. Según unestudio reciente realizado por el Instituto Nacional deEstadística1, un 32.21 % de la población española demás de 65 años presenta algún tipo de discapacidad,

entendiendo como tal cualquier limitación que afectea la capacidad de realizar actividades de la vida diaria.Las actividades cotidianas consideradas en dicho estu-dio son: realizar cambios de las posiciones del cuerpo;levantarse y acostarse; desplazarse dentro del hogar;deambular sin medio de transporte; asearse; controlarlas necesidades; vestirse; comer y beber; encargarse delas compras, de las comidas, de la limpieza y plancha-do de la ropa, del mantenimiento de la casa, etc. Latabla 1.1 muestra el número de personas de más de 65años con dificultades para la realización de estas activi-dades, en función del grado de severidad.

Como consecuencia de los factores citados, la sociedadactual demanda soluciones alternativas para propor-cionar a este sector de la población los cuidados y asis-tencia que necesita. Aunque los robots asistencialesestán muy lejos de poder sustituir al hombre, no sóloen sus funciones, sino principalmente en su aspectoemocional, no cabe duda de que pueden servir deapoyo en la realización de ciertas tareas.

Según el estudio anteriormente citado, y como se des-prende de la gráfica de la figura 1.2 en que se muestrala distribución de las discapacidades por grupos, lasmayores tasas de dificultad se relacionan con la movili-dad (movilidad reducida y problemas para pasear o des-plazarse incluso dentro del propio hogar) y con el controlde las tareas domésticas (encargarse de las comidas,compras, etc.). Este tipo de dificultades pueden ser redu-cidas por un robot “acompañante” que se desplace deforma autónoma por la casa, transportando objetos,gestionando las actividades diarias del usuario, e inclusopermitiendo un control médico remoto desde un centro

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Tabla 1.1. Personas con 65 y más años con discapacidades para lasactividades de la vida diaria según el grado de severidad.

Figura 1.2. Distribución de las discapacidades en grupos. Personas de 65y más años.

1 Este estudio se ha publicado en el documento “Las personas mayores en España. Informe 2002” elaborado por la Subdirección General dePlanificación, Ordenación y Evaluación. Parte de los datos mostrados en este informe corresponden a la “Encuesta sobre Discapacidades, Deficienciasy Estado de Salud 1999” realizada por el Instituto Nacional de Estadística en 1999, y publicada en julio del 2003.

hospitalario. La utilidad de este tipo de robots puede sertodavía mayor en los propios hospitales o residenciaspara mayores, donde pueden operar como equiposmóviles de asistencia y monitorización, permitiendo alos pacientes y médicos comunicarse a distancia entre sí,llevando sus medicinas a los enfermos, e incluso tomán-doles la temperatura o el pulso. Este tipo de tecnologíaspermitiría a los profesionales de los servicios de la saludasistir a personas que residen en lugares remotos (o queno pueden desplazarse) en mucho menos tiempo,reduciendo las demoras en la atención médica en loscentros asistenciales y el coste de los desplazamientoshospitalarios y de la atención médica domiciliaria.

Actualmente existen varios proyectos importantes anivel mundial dedicados al diseño de este tipo derobots asistenciales, entre los que cabe destacar el pro-yecto “Nursebot” [NURSEBOT] con los robots “Flo”[Roy00] y “Pearl” [Montemerlo02] mostrados en lafigura 1.3, o los proyectos “I.L.S.A” [Haigh02] y“Morpha” [MORPHA]. Todos estos proyectos se referen-ciarán en el capítulo 2 de esta memoria como partedel estado del arte.

También el Departamento de Electrónica de laUniversidad de Alcalá lleva trabajado durante más de 12años en el área de la asistencia a la discapacidad. Unode los proyectos más importantes desarrollados en estalínea es el proyecto SIAMO (“Sistema Integral de Ayuda ala MOvilidad”) [Mazo01], en el que se desarrollaronvarios prototipos de sillas de ruedas motorizadas con dife-rentes alternativas para el guiado autónomo y semiautó-nomo. Con la experiencia adquirida en este trabajo, sedecidió abordar varios proyectos en esta área:

• Proyecto SIRAPEM (“SIstema Robótico autónomo paraAsistencia a PErsonas Mayores”), financiado por elMinisterio de Ciencia y Tecnología (MCyT), cuyo obje-tivo es el desarrollo de un robot asistencial que reali-ce funciones básicas de tele-presencia, tele-medici-na, agenda inteligente, interacción personal, vigilan-cia y asistencia a la movilidad en hogares, hospitaleso residencias.

• Proyecto TELEASISNET (“Sistema de Teleasistencia através de Internet”) financiado por la Comunicad deMadrid y cuyo objetivo era profundizar en el desarro-llo de las tareas de telemedicina, telepresencia ytelediagnóstico.

Por lo tanto, este trabajo pretende mostrar los resultadosobtenidos relacionados con aplicaciones de telemedi-ciana en los proyectos SIRAPEM y TELEASISNET, así comodiversos trabajos relacionados con estos proyectos:

• Tesis Doctoral. “Sistema de Navegación Global basa-do en Procesos de Decisión de Markov ParcialmenteObservables. Aplicación a un Robot de AsistenciaPersonal”. María Elena López Guillen. Universidad deAlcalá. Año 2004. Calificación: Sobresaliente CumLaudem.

• Master thesis (Trabajo Fin de Carrera alumnoErasmus). “Telemedicine System For ElderlyAssistance”. Yves Willemaers. 2004.

2. NAVEGACIÓN DE UN ROBOT ASISTENCIAL EN APLICACIONES DE TELEASISTENCIA

2.1. Introducción

El objetivo de este capítulo es presentar los requisitosque debe cumplir un robot asistencial en aplicacionesde teleasistencia.

Para llevar a cabo todas las funciones asistenciales, elrobot debe ser capaz de navegar de forma autónomay durante largos periodos de tiempo en entornos inte-riores estructurados o semiestructurados como son loshospitales, residencias o casas particulares. Otra posibi-lidad es que el robot sea telecomandado desde uncentro de control. En este capítulo se comentan losresultados obtenidos en guiado autónomo en unentorno estructurado como puede ser un hospital ouna casa.

Los principales requisitos del sistema de navegaciónglobal en función de la aplicación son los siguientes:

• Autonomía. Capacidad para alcanzar destinos den-tro del entorno sin necesidad de la intervención delos usuarios.

• Robustez. El sistema debe ser capaz de recuperarseautomáticamente ante posibles pérdidas (debidas afallos sensoriales o condiciones imprevistas) parapoder navegar de forma autónoma durante largosperiodos de tiempo.

• Facilidad de instalación. La configuración del sistemaen nuevos entornos debe ser rápida y sencilla de rea-

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Figura 1.3. Robots asistenciales del proyecto “NurseBot” de la CarnegieMellon University: a) “Flo”, b) y c) Robot “Pearl” interactuando con personas

lizar. Son características importantes la incorporaciónde un sistema de aprendizaje automático del entor-no y el uso de marcas naturales típicas de los entor-nos estructurados para evitar la necesidad de prepa-ración del espacio de movimiento.

• Representación del entorno sencilla e intuitiva parael usuario. Es deseable que exista un punto de vistacomún entre la percepción que el robot y el usuariotienen del entorno. Para ello, el tipo de representa-ción o mapa utilizado por el robot debe ser intuitivopara el usuario, de modo que éste pueda generarsencillas órdenes de alto nivel sobre el destino aalcanzar.

• Capacidad de interacción con el usuario. El usuariodebe poder modificar el comportamiento del robot,indicándole nuevas ordenes o destinos en cualquierinstante de tiempo. En tal caso, el sistema de nave-gación replanificará de forma automática sus accio-nes. Por otro lado, debe tenerse en cuenta que lainteracción con usuarios no expertos genera situacio-nes de incertidumbre ante las cuales el robot deberesponder de forma robusta.

2.2. Arquitectura global del sistema de navegación

Para cumplir los objetivos anteriores, en este trabajo sepropone una arquitectura de navegación basada en eluso de un Proceso de Decisión de Markov ParcialmenteObservable como modelo de razonamiento. La forma-lización de la arquitectura de navegación como unPOMDP se explica detalladamente en los siguientesapartados. Sin embargo, en este punto es posible daruna visión global de los módulos principales que com-ponen el sistema y la relación entre los mismos.

Tal y como se observa en la figura 2.1, los tres módu-los principales que componen el sistema propuestoson: el sistema de navegación global, el sistema denavegación local y el módulo de interpretación senso-rial. El objetivo principal de este capítulo es abordar elestudio del sistema de navegación global (basado enPOMDPs) y el desarrollo de los tres subsistemas que locomponen: el sistema de localización, que obtiene laposición del robot dentro del mapa global del entornoutilizando la información sensorial junto con la historiade los comandos de actuación ejecutados; el sistemade planificación, que selecciona los comandos deactuación a ejecutar para alcanzar el destino prepro-gramado o indicado por el usuario a través de los inter-faces HMI; y el sistema de aprendizaje, que obtiene yajusta de forma automática el mapa del entorno.

2.3. Navegación mediante POMDPs

La resolución de problemas de razonamiento, planifica-ción y aprendizaje bajo condiciones de incertidumbreha recibido una considerable atención en la comunidadcientífica durante los últimos años. Los Procesos deDecisión de Markov Parcialmente Observable (POMDP –Partially Observable Markov Decision Process) constitu-yen un entorno matemático apropiado para resolveruna aplicación de navegación real bajo condiciones deincertidumbre. En este apartado se introducen los con-ceptos teóricos básicos sobre los Procesos de Decisión deMarkov Parcialmente Observables.

2.3.1. Conceptos básicos sobre POMDPs

Un Proceso de Decisión de Markov ParcialmenteObservable (POMDP- Markov Decision Process) quedadefinido formalmente por los elementos {S,A,T,O,J},donde S es un conjunto finito de estados, A un conjun-to finito de acciones, y T es la función de transición,que consiste en un conjunto de matrices que contie-nen las probabilidades de transición p(s’|s,a) para cadas,s’ÎS y aÎA (probabilidad de que el nuevo estado sea s’si se ejecuta la acción a en el estado s). En un POMDPel estado real del sistema no se conoce con certeza. Ensu lugar, es posible realizar varias observaciones y utili-zarlas para calcular una distribución de probabilidadsobre todos los posibles estados. Estas observacionesproducen un solapamiento perceptual, puesto que envarios estados el agente puede realizar la mismaobservación. Por tanto, un POMDP incorpora un conjun-to finito de observaciones O, y un modelo de observa-ción J, definiendo este último las probabilidades deobservación p(o|s) para cada sÎS y oÎO (probabilidad derealizar la observación o cuando el sistema se encuen-tra en el estado s).20


Figura 2.1. Arquitectura global del sistema de navegación.

La distribución de probabilidad que caracteriza, paracada estado, su probabilidad de ser el estado real delsistema (distribución de creencia Bel(S)) debe seractualizada cada vez que se ejecuta una nueva accióno se recibe una nueva observación. Cada vez que seejecuta una acción a, la nueva distribución se calculadel siguiente modo:

donde K es un factor de normalización que aseguraque la distribución total suma 1. Por otro lado, cadavez que se obtiene una nueva observación o, las nue-vas probabilidades se calculan mediante la aplicaciónde la regla de Bayes:

2.3.2. Aplicación de los POMDPs a la navegación enrobótica móvil

En el contexto de la navegación para robots móviles,los estados del Modelo de Markov son sus posibles ubi-caciones (nodos) dentro de una representación topoló-gica del entorno. Las acciones son comportamientosde navegación local que el robot puede ejecutar parapasar de un estado a otro, y las observaciones son cual-quier tipo de información que el robot pueda obtenerdel entorno a través de sus sistemas sensoriales.

El estimador de estados genera una distribución de pro-babilidad sobre todas las posibles ubicaciones (nodos)en que puede encontrarse el robot, y por consiguiente,constituye realmente un módulo de localización que,a diferencia de los sistemas clásicos, no genera comosalida una única ubicación que deba tomarse comocierta, sino que contempla todas las posibles hipótesis,lo cual hace al sistema mucho más robusto ante posi-bles fallos. Además, el módulo de localización norequiere conocer la posición inicial del robot, puestoque modelando la creencia inicial como una distribu-ción uniforme, y tras varios pasos de ejecución, el robotllega a localizarse globalmente al contemplar todas lasposibles hipótesis sobre su situación inicial.

Por otro lado, puede recurrirse a diferentes políticas deselección de acciones, cuya equivalencia es la de unsistema de planificación que determina la acción arealizar en función de la creencia actual sobre la posi-ción del robot. Al contrario que los sistemas de planifi-cación clásicos, el uso de POMDPs contempla, al elegirla acción, todos los posibles estados en que puedeencontrarse el robot. Las acciones se generan “sobre lamarcha”, en función de la evolución real del sistema,sin necesidad de un plan concebido “a priori”.

Los modelos de transición y observación del POMDPpueden obtenerse usando datos experimentalesmediante aprendizaje, correspondiendo esta etapa ala de generación automática del mapa de entorno deun sistema de navegación.

La figura 2.2 muestra el modelo de interacción robot-entorno descrito mediante un modelo POMDP.

2.4. Representación del entorno para la navegaciónpor hogares u hospitales. Modelo de Markov

El punto de partida para la construcción del modelo deMarkov es una representación topológica del entorno.Teniendo en cuenta que el objetivo final del sistemade navegación es dirigir el robot hacia los diferentespuntos de interés del lugar de trabajo (hogar, centrogeriátrico u hospital), el entorno se discretiza en regio-nes (nodos) de tamaño variable adaptados a la topo-logía del mismo. Para el entorno de de este tipo de ins-talaciones es útil recurrir a una representación topoló-gica jerárquica, en la que el nivel superior de discreti-zación divide el entorno en diferentes “habitaciones”(o distribuidores) conectadas por “pasillos”, y el nivelinferior discretiza a su vez cada uno de dichos nodosen una rejilla con nodos de tamaño fijo. La figura 2.3muestra un grafo topológico de un entorno ficticio.

2.4.1. Definición del Modelo de Markov

A continuación se describe brevemente el modelo deMarkov utilizado, basado en la representación topoló-gica anterior.

Los estados (S) del modelo de Markov están directa-mente relacionados con los nodos de la jerarquía infe-rior del grafo topológico. A cada nodo de dicha jerar-quía se le asignan cuatro estados, uno para cada unade las cuatro orientaciones que el robot podrá adoptardurante su movimiento por el entorno. 21


Figura 2.2. Modelo de interacción robot-entorno en un POMDP paranavegación.

Las acciones (A) para producir transiciones de unosestados a otros corresponden a comportamientos denavegación local del robot. El efecto de las mismas esestocástico (debido a errores de actuación, presenciade personas en el entorno del robot, etc), y esta incer-tidumbre será contemplada en el modelo de transi-ción T. Las acciones seleccionadas son: (1) “Girar a laderecha”, para girar 90º hacia la derecha, (2) “Girar ala izquierda”, para girar 90º a la izquierda, y (3)“Avanzar hacia adelante”, para pasar al siguientenodo de la rejilla.

Finalmente, las observaciones del modelo procedende todos los sistemas sensoriales de los que está dota-do el robot: ultrasonidos, láser y visión. Éstas se descri-ben brevemente a continuación:

1. Observación de ultrasonidos: detecta la presenciade objetos en el entorno cercano del robot, clasifi-cándolos en tres regiones: “izquierda”, “derecha” y“delante”.

2. Observación de láser: detecta marcas característicasdel entorno, como esquinas, puertas, etc.

3. Observación visual: obtiene información de unaimagen del entorno. La figura 2.5 muestra tres imá-genes de un pasillo, junto con el número de puertasdetectas en los lados del pasillo.

2.4.2. Fusión multisensorial en el modelo de observación

Un POMDP proporciona un mecanismo directo para rea-lizar fusión multisensorial en su modelo de observaciónJ (probabilidades p(o|s)). En este caso, la observación oes un vector formado por las cuatro observaciones delmodelo presentadas en la sección anterior. Puesto queestas observaciones son independientes entre sí, elmodelo puede simplificarse del siguiente modo:

Esta distribución multisensorial aumenta la observabili-dad de los estados respecto al uso individual de cadauna de las cuatro observaciones, y por lo tanto permi-te mejorar en gran medida la localización del robot.

2.5. SISTEMA DE NAVEGACIÓN GLOBAL

Una vez presentado el modelo de, se describen a con-tinuación los módulos de localización, planificación yaprendizaje que completan el sistema de navegaciónglobal.

Una de las ventajas del uso de POMDPs es que permi-ten resolver todas las tareas de navegación dentro delmismo marco de razonamiento probabilístico. Así, elmódulo de localización corresponde con la etapa deestimación de estados, el de planificación con la polí-tica de selección de acciones, y el de aprendizaje conla obtención o ajuste de las probabilidades de lasmatrices de transición y observación del modelo.22


Figura 2.5. Observación Visual de Puertas

Figura 2.3. Obtención del grafo topológico de un entorno ficticio:a) mapa del entorno; b) grafo correspondiente.

Figura 2.4. Observación Abstracta de Ultrasonidos (OAU)

2.5.1. Estructura completa del sistema de navegación

La figura 2.6 muestra un esquema general del sistemade navegación global implementado y la relaciónentre los módulos de localización, planificación yaprendizaje. Esta estructura está basada en el modelode interacción agente-entorno de un POMDP que semostró en la figura 2.2.

El módulo de localización corresponde al estimadorde estados del POMDP. Este estimador mantiene unadistribución de probabilidad (creencia Bel(S)) sobretodos los posibles estados del robot dentro del grafotopológico, actualizándola cada vez que finaliza unaacción y se obtiene una nueva observación. La actua-lización de esta distribución se realiza utilizando losmodelos de transición T y de observación J delPOMDP. Por lo tanto, el módulo de localización noobtiene como salida una única posición del robot,sino una distribución sobre todas las posibles posicio-nes. En ocasiones, y especialmente durante la planifi-cación, es necesario evaluar el grado de incertidum-bre sobre la posición del robot estudiando las caracte-rísticas de esta distribución.

El módulo de planificación genera como salida lasiguiente acción a ejecutar. Está formado por dos sub-sistemas, que realizan las siguientes funciones:

1. Política local. Asigna una acción a cada estado indi-vidual del modelo, en función del contexto en quese encuentra el sistema. Los posibles contextoscorresponden a diferentes objetivos del planificadory son: (1) “Exploración”, cuando el objetivo esexplorar el entorno durante la etapa inicial deaprendizaje automático del modelo; (2)“Localización”, cuando el objetivo es reducir la incer-

tidumbre sobre la posición del robot; y (3) “Guiado”,cuando el objetivo es dirigir el robot hacia una habi-tación de destino indicada por el usuario.

2. Política global. Este módulo utiliza la distribución decreencia actual junto con la política local para selec-cionar la siguiente acción a ejecutar. Para la selec-ción de acciones se han estudiado e implementadodiferentes estrategias heurísticas [ETFA, 03].

2.5.2. Sistema de localización

La función del módulo de localización es actualizar ladistribución de creencia del POMDP cada vez que elrobot finaliza la ejecución de una acción, mediante elproceso de estimación de estados.

La figura 2.7 muestra las transiciones ideales y la secuen-cia de acciones para desplazarse desde el estado 14 al 55.

La figura 2.8 muestra la evolución de la distribución decreencia en cada paso de ejecución para los casos detener sólo información de ultrasonidos y el de utilizar

23


Figura 2.6. Estructura completa del POMDP para navegación.

Figura 2.8. Mejoras introducidas por las observaciones visuales en lalocalización del robot.

Figura 2.7. Transiciones ideales.

información de ultrasonidos y visión. La flecha indica elestado real en que se encuentra el robot.

En cualquiera de los dos casos, la distribución no con-verge hacia un único máximo hasta alcanzar el esta-do 38 (final del pasillo), que permite distinguir los dospasillos horizontales puesto que arroja distintas“observaciones de ultrasonidos”. Sin embargo, el usode observaciones visuales acelera considerablementela localización interna dentro del pasillo. Puedeobservarse cómo tras el primer paso de ejecución(estado real 18), el primer máximo dentro del pasillocorresponde ya al estado real, y con un paso de eje-cución más (estado real 22), dicho máximo destacaclaramente dentro del pasillo (el otro máximo corres-ponde al estado equivalente del pasillo paralelo). Sinembargo, utilizando sólo la OAU, la localización den-tro del pasillo no se produce hasta llegar práctica-mente al final del mismo (estado 34). Una vez finali-zada la etapa de localización global, la etapa deseguimiento es similar en ambos casos.

2.5.3. Sistema de planificación

La siguiente figura muestra la estructura general del sis-tema de planificación.

2.5.4. Sistema de aprendizaje

Por último, el módulo de aprendizaje recibe como entra-das las acciones ejecutadas y las observaciones obtenidas,y utiliza estos datos para ajustar el modelo de Markov (pro-babilidades de los modelos de transición y observación).Este módulo tiene un papel fundamental en la puesta enmarcha del sistema de navegación en un nuevo entorno,durante la cual el planificador funciona en el contexto de“Exploración” hasta obtener información suficiente sobreel modelo. A partir de este momento, el planificador

puede conmutar a cualquiera de los otros dos contextos,aunque el módulo de aprendizaje continúa funcionandoen paralelo con todo el sistema, realizando una constan-te adaptación del modelo a posibles nuevas circunstan-cias o elementos del entorno.

La figura 2.10 muestra las etapas de generación y apren-dizaje del modelo de Markov de un nuevo entorno. Elgrafo introducido por el diseñador, junto con un modeloinicial de incertidumbres predefinido e independientedel entorno, se utilizan para compilar un POMDP inicial.Este POMDP inicial contiene información suficiente paranavegar durante la etapa de exploración del entorno,durante la cual se recorren los diferentes pasillos del grafocon el objetivo de recoger la información necesaria paracompletar y ajustar el POMDP. Esta etapa de exploraciónse conoce como aprendizaje activo, puesto que el robotescoge específicamente sus acciones con el objetivo defacilitar el registro de datos para el sistema de aprendiza-je, recorriendo para ello varias veces cada uno de lospasillos del entorno. Una vez completada esta etapa deexploración, los datos obtenidos se utilizan para ajustarlos parámetros finales del POMDP. Sin embargo, existenelementos de las matrices de transición, y sobre todo delas de observación, que pueden verse sometidos a cam-bios dinámicos durante el funcionamiento del sistema.Por este motivo, el sistema de aprendizaje continúaactuando en paralelo durante el funcionamiento normaldel mismo (aprendizaje pasivo), adaptando todos estosparámetros en función de las observaciones realizadasdurante el guiado a los estados de destino, y por lo tantosin alterar el funcionamiento de los sistemas de localiza-ción y planificación presentados en secciones anteriores.

24


Figura 2.9. Sistema de planificación

Figura 2.10. Etapas de introducción y aprendizaje del modelo deMarkov para un nuevo entorno de movimiento.

25


2.6. Implementación del sistema de navegación

La figura 2.11 muestra el interfaz gráfico del sistemade navegación utilizando el prototipo real basado enla plataforma del PeopleBot . Las diferentes ventanasque aparecen en pantalla son las siguientes:

• Ventana de visualización de la imagen obtenida dela cámara y procesada por la aplicación de visión. Enel ejemplo, se ha detectado un marco en la ventanalateral derecha de la imagen.

• Ventana principal de Saphira, en la que se visualizael entorno local del robot (Local Perceptual Space –

LPS), y los “objetos” obtenidos por sus rutinas de inter-pretación (en este caso, el pasillo).

• Ventana de interacción Colbert de Saphira, que en elsimulador se utiliza para introducir los comandos dealto nivel (por ejemplo, el destino) y para tareas dedepuración de los algoritmos.

• Ventana de visualización de datos del POMDP. Enesta ventana, desarrollada con la utilidad Gnuplot deRedHat Linux, se representan la distribución de creen-cia Bel(S) (gráfica superior), y la distribución de votosde las acciones VG(A) (gráfica inferior).

2.7. Observación del entorno

En este apartado se abordan los métodos de extracciónde información del entorno a partir de los sensores delrobot para obtener las observaciones del modelo deMarkov. Uno de los principales atractivos del uso dePOMDPs en navegación es que se basan en observacio-nes simples, abstractas y poco informativas por sí mis-mas, pero que en el contexto del proceso de Markovpermiten conocer en un número reducido de pasos deejecución la posición del robot en el entorno.

2.7.1. Observaciones de Ultrasonidos (OUA)

Los sensores de ultrasonidos han sido ampliamente utili-zados para construir mapas precisos del entorno próximodel robot, utilizando diferentes técnicas entre las quecabe destacar el método de rejillas de ocupación[Moravec85][Moravec88][Konolige97]. La principal utili-dad de esta observación es distinguir puertas abiertas enlos pasillos e intersecciones de pasillos. Para ello, se clasi-fica cada una de las tres direcciones nominales entornoal robot (izquierda, delante y derecha) como “libre” u“ocupada”, y se construye una combinación de las trespercepciones para dar lugar a un único valor que carac-teriza a la observación. En el robot utilizado para las prue-bas, la distribución de los sensores (tanto superiores comoinferiores) es la mostrada en la figura 2.14. Los sensoreslaterales se utilizan para obtener las variables de ocupa-ción a la izquierda y derecha del robot, mientras que losdos frontales se utilizan para la parte delantera.

2.7.2. Observaciones visuales

La utilidad de las observaciones visuales es reducir el sola-pamiento perceptual inherente a la OAU (especialmen-te cuando las puertas están cerradas). De forma intuitiva,Figura 2.13. Implementación final del sistema de navegación

Figura 2.14. Obtención de la Observación Abstracta de Ultrasonidos.

Figura 2.11. INterfaces gráficos del sistema de navegación, utilizando elrobot real.

Figura 2.12. Prototipo del proyecto SIRAPEM utilizado para laspruebas.

26


las imágenes de un pasillo deben permitir distinguir entreestados que se encuentran al inicio y al final del mismo.

2.7.2.1. Observación visual de profundidad (OVP)Se utiliza para conocer el estado del robot dentro deun pasillo. La observación visual de profundidad utilizaun detector de rectas de fuga. La información útil deestas rectas está contenida en la longitud del segmen-to que se proyecta sobre el plano imagen, y que dismi-nuye a medida que el robot avanza a lo largo del pasi-llo. Tras obtener la imagen de bordes de la ROI supe-rior y aplicar la transformada de Hough se realiza unanálisis de conectividad desde la parte superior de lasrectas hacia el centro de la imagen, hasta detectar losbordes de los segmentos, como se muestra en losejemplos de la figura 2.15. Una vez detectados dichosbordes, se clasifican en varios niveles en función de suposición vertical dentro de la ROI.

2.7.2.2. Observación Visual de Marcas (OVM)

Esta segunda observación visual consiste en el númerode puertas que aparecen en la imagen tras realizar lasegmentación de color.

En la figura 2.16 se observan dos ejemplos de obten-ción de la OVM a partir de la imagen segmentada. Lasmarcas verdes delimitan la zona de cuenta a las pare-des laterales del pasillo, y las ventanas azules marcanlas zonas laterales en las que sólo puede proyectarseuna puerta.

2.8. Tareas de navegación local

En esta sección se describen las tareas de navegaciónlocal que constituyen las acciones del modelo deMarkov. Las acciones contempladas son cinco: “Girar90º a la derecha” (aR), “Girar 90º a la izquierda” (aL),“Seguir pasillo” (aF), “Entrar en habitación” (aE) y “Salirde habitación” (aO).

Cuadro de texto: Acción Odometría Visión UltrasonidosControl a bajo nivel basado en comportamientos Girara la izquierda (aL) ü Girar a la derecha (aR) ü Seguirpasillo (aF) ü ü ü ü Entrar en habitación (aE) ü ü ü üSalir de habitación (aO) ü ü ü ü Tabla 2.1. Recursos uti-lizados en la ejecución de las acciones.

2.8.1. Seguimiento de pasillos

La acción “Seguir pasillo” (aF) está definida únicamen-te en estados de pasillo orientados según la direccióndel mismo. El resultado de una acción aF individual esavanzar a lo largo del pasillo hasta detectar la transi-ción a un nuevo estado.

Para conseguir y mantener la alineación del robot conel pasillo se han considerado dos métodos:

• Orientación utilizando un modelo local del pasilloobtenido mediante ultrasonidos. Durante el desplaza-miento por el pasillo, los sensores laterales de ultraso-

Figura 2.16. Ejemplos de obtención de la Observación Visual deMarcas: a) Imagen tras la segmentación de color, b) Cuenta del númerode puertas sobre la imagen segmentada.

Figura 2.15. Ejemplos de obtención de la Observación Visual deProfundidad: a) imagen original y ROI de análisis, b) filtrado de bordes, c)dilatación de la imagen de bordes, análisis de conectividad y clasificación.

Tabla 2.1. Recursos utilizados en la ejecución de las acciones

nidos permiten obtener un modelo local del mismo,tal y como se muestra en la figura 2.17.a.

• Orientación mediante puntos de fuga. Consiste enobtener el punto de fuga de las rectas de fuga del pasi-llo y corregir la orientación del robot en función de suposición dentro de la imagen (véase la figura 2.17.b).

2.8.2. Salir de habitación

La figura 2.18 muestra de forma esquemática las eta-pas de ejecución de la acción “Salir de habitación”.Inicialmente se realiza la búsqueda de la puerta median-te información visual (figura 2.19). Una vez localizada lapuerta, se produce la aproximación hacia la mismahasta estar a una distancia adecuada para obtener unmodelo de ésta, combinando información visual (figura2.20) y de ultrasonidos (figura 2.21). En lugar de utilizar

un comportamiento completamente reactivo para atra-vesar la puerta, se ha optado por utilizar un modelo, yaque permite que el cruce se produzca de forma perpen-dicular a la misma, facilitando así la incorporación al pasi-llo con la orientación adecuada para enlazar con el restode acciones del modelo (figura 2.22).

2.9. Ejemplos de navegación

A continuación se muestran los resultados del sistemade navegación completo, obtenidos con el robot realnavegando en uno de los pasillos del Departamento

de Electrónica de la Universidad de Alcalá.27


Figura 2.21. Obtención del modelo de la puerta

Figura 2.22. Ejemplo del comportamiento “Cruzar puerta”.

Figura 2.17. Métodos de alineación con la dirección del pasillo: a)Mediante la obtención de un modelo local del pasillo usando ultrasoni-dos, b) mediante puntos de fuga obtenidos de la imagen.

Figura 2.20. Método de barrido para la detección de los bordes de lapuerta y la identificación del marco de apoyo: a) Ventana central de aná-lisis del barrido, b) Vector de barrido obtenido.

Figura 2.19. Ejemplos de imágenes de puertas captadas desde el interiorde habitaciones.

Figura 2.18. Etapas para la ejecución de la acción “Salir de habitación”

2.9.1. Descripción del entorno de pruebas

La figura 2.23.a muestra el pasillo en que se han rea-lizado las pruebas. La figura 2.23.b muestra el grafocorrespondiente, que consta de 26 nodos, 11 de ellosde tipo habitación, y por lo tanto de 71 estados.

2.9.2. Ejemplo de guiado nº1; habitación de origen 3,habitación de destino 5

2.9.3. Ejemplo de guiado nº2: habitación de origen 4,habitación de destino 9

La figura 2.25 muestra sobre el mapa del pasillo la tra-yectoria a ejecutar.

La tabla 2.2 muestra los resultados obtenidos utili-zando la política global Voting con ponderación delos contextos “Guiado” y “Localización” en función

de la divergencia de los votos de las acciones. Eneste caso, y para cada paso de ejecución, se mues-tran los votos de cada acción en cada uno de los doscontextos, la divergencia de los votos en el contextoguiado (factor de ponderación), los votos finalesobtenidos por ponderación y la acción final seleccio-nada (la más votada).

Puede observarse que tras salir de la habitación, ladistribución adquiere ocho máximos de igual valor(existen otros valores no nulos frente al resto de laspuertas que no pueden apreciarse por el tamaño delas figuras). La política local impone un giro hacia laizquierda. Tras dicho giro, el robot se localiza global-mente y la selección de acciones comienza a sercorrecta. Durante el seguimiento del pasillo se produ-cen algunas transiciones incorrectas que, al estartodas las puertas cerradas, desplazan el máximo unestado respecto a la posición real, sin que esta situa-ción pueda ser detectada por el planificador. Sinembargo, al tratarse de estado colindantes con lamisma dirección, la acción seleccionada sigue sien-do correcta. Al llegar al estado lateral a la puerta dedestino, el máximo correcto se recupera (gracias a laobservación de ultrasonidos) y el robot finalizacorrectamente su misión.

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Figura 2.23. Pasillo del Departamento de Electrónica: a) Mapa delentorno, b) grafo correspondiente.

Figura 2.24. Trayectoria ideal para el ejemplo de guiado nº1.

Figura 2.25. Trayectoria para el ejemplo de guiado nº2.

Tabla 5.2. Guiado desde la habtación 4 hasta la 9 utilizando VotingPonderado en función de D(VG(a))

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RESUMEN

A lo largo de los años la robótica ha conseguido con-vertirse en una herramienta tecnológica de servicio enaplicaciones de diferente ámbito. En el presente artícu-lo se presenta una aplicación directa de la robótica enla atención sanitaria de pacientes infantiles.

En el marco del proyecto ACROSS, un equipo forma-do por más de 100 investigadores pertenecientes a

13 entidades españolas, modificarán la perspectivaactual de la robótica de servicios, proporcionando sis-temas inteligentes capaces de adaptarse a los reque-rimientos del usuario, modificando su comporta-miento de forma autónoma. Con el objetivo de pro-porcionar un marco abierto de colaboración entreempresas, universidades, centros de investigación yla Administración, el proyecto ACROSS se apoyará enla filosofía de generación de servicios de códigolibre.

2. INTRODUCCIÓN

En el siguiente artículo presentamos el proyectoACROSS (Auto-Configurable Robots for Social Service)cuyo objetivo es el de incorporar robots de servicios enescenarios sociales y de la salud que se anticipen a lasnecesidades de los usuarios, mejorando la comunica-ción y empatía entre personas y robots.

ACROSS se encuentra alineado con las AgendasEstratégicas de Investigación de las Plataformas

Tecnológicas HispaRob, eVIA y es.INTERNET. Se trata deun “Proyecto Científico-Tecnológico Singular deCarácter Estratégico” cofinanciado por el Ministerio deIndustria, Turismo y Comercio en el marco del PlanAvanza2, con un plazo de ejecución de 27 meses(Octubre 2009 – Diciembre 2011) y un presupuestosuperior a 6 millones de euros. Las características eco-nómicas y temporales de ACROSS lo convierten en elproyecto más ambicioso basado en Robótica Social yde Servicios que se desarrolla a nivel nacional.

Caso de aplicación robóticapara la atención sanitaria de la salud infantilC. Suárez Mejías1, C. Parra Calderón1, S. Fínez Martínez2, C. Angulo Bahon3, D. López de Ipiña4, R. del CosoLópez5, M. Loichate Cid6, D. del Río Rodríguez7, S. Plana Farnós8, P. Bustos Gacía9, A. Yuste Marco10, F. Massana Guitart11, J.L. Lázaro Cornejo12, J.L. Rey Serrano13___________________________________________________________________

Grupo de Innovación Tecnológica, Hospitales Universitarios “Virgen del Rocío”, SevillaTreelogic, AsturiasUniversidad Politécnica de Cataluña, CataluñaUniversidad de Deusto, País VascoEuropean Centre for Soft Computing, AsturiasFatronik-Tecnalia, País VascoBizintek Innova, País VascoM-BOT Solutions, CataluñaUniversidad de Extremadura, ExtremaduraFundació Hospital Comarcal Sant Antoni ABAT, CataluñaVerbio, CataluñaOMICRON ELECTRONICS, MadridAlimerka, Asturias

PALABRAS CLAVE

Robótica, salud infantil, servicio psico-afectivo, autonomic computing

La robótica se encuentra en auge tanto en el númerode investigaciones como en el de demandas de uso, yel crecimiento de la robótica se ha consolidado en losúltimos años gracias a su aplicación en diversos secto-res industriales. Sin embargo, existe una gran área dela robótica que no se encuentra tan desarrollada comola industrial: la denominada “Robótica Social”.

Un robot social es aquel que interactúa y se comunicacon las personas (de forma sencilla y natural) siguien-do comportamientos, patrones y normas sociales. Paraello, es necesario que el robot disponga de habilidadescognitivas que se ubican dentro de la llamada “inteli-gencia social”. Se consideran tres niveles de interacciónsegún su grado de complejidad: robots monitorizadosdirectamente por el usuario, robots utilizados comoherramienta tecnológica y robots dotados de una inte-racción avanzada adaptada completamente al com-portamiento del usuario.

El proyecto será desarrollado por un equilibrado equi-po multidisciplinar liderado por Treelogic y formado porotras 12 entidades: Cinco empresas (Alimerka, BizintekInnova, m-BOT Solutions, OMICRON Electronics,Verbio); Tres universidades (Universidad de Deusto,Universitat Politécnica de Catalunya, Universidad deExtremadura); Dos centros tecnológicos (EuropeanCentre for Soft Computing, Fundación Fatronik) y doshospitales (Fundació Hospital Comarcal Sant AntoniAbat, Fundación Pública Andaluza para la Gestión dela Investigación en Salud de Sevilla - HospitalesUniversitarios “Virgen del Rocío”).

El proyecto ACROSS tendrá aplicación directa en tresescenarios sociales correspondientes a:

• Vida Independiente: robots utilizados como ayudatecnológica en tareas cotidianas para colectivos condiversidad funcional.

• Psicoafectividad: cuyo objetivo es mitigar el deterio-ro de habilidades cognitivas en niños con problemaspsicoafectivos.

• Marketing: interacción amigable entre robots y per-sonas con un fin lúdico y/o publicitario.

En nuestro caso nos centraremos en el escenario dela psicoafectividad infantil de pacientes en entornoshospitalarios.

El presente artículo se compone de los siguientes apar-tados: 3. Estado del arte, en donde se tratarán demanera resumida algunos estudios y experiencias rea-

lizadas en el ámbito del uso de robot en niños con pro-blemas psicoafectivos en entornos hospitalarios; 4.Metodología, detallará la metodología a llevar a caboen el proyecto; 5. Plataformas robótica, describirá lasplataformas robóticas disponibles por los socios del pro-yectos, las cuales van a ser analizadas y valoradas conel fin de poder optar por aquellas que mejor se ade-cuen a las necesidades del usuario y de los profesiona-les del sector; 6. Conclusiones y 7. Agradecimientos.

3. ESTADO DEL ARTE: NIÑOS CON PROBLEMAS PSICOAFECTIVOS EN ENTORNOS HOSPITALARIOS

La psicología afectiva nos enseña que a través del afec-to y de la información emocional de la conciencia, elhombre puede sanar todos sus traumas y comporta-mientos anormales, adquiriendo una verdadera saludmental, superior a la de una persona ordinaria, explo-rando nuevos campos de actividad sincronizada, rítmi-ca, armónica y de más alta frecuencia del cerebro,para utilizar el cien por ciento de su capacidad, desa-rrollar una conciencia más elevada para estar en cone-xión directa y profunda con los demás, la creación,su creador y con él mismo.

En el proyecto ACROSS se pretende evaluar y validar elbeneficio en el uso de plataformas robóticas, las cualesademás de entretener y educar van a contribuir en lamitigación de los problemas psico-afectivos de losniños en entornos hospitalarios. En ese sentido, analiza-remos los estudios y experiencias realizadas por otrosautores disponibles en la literatura.

En el Hospital Infantil de Tokyo junto a la Escuela deIngenieros de Shitayuri (Kimura, 2005, p. 2336-2341)(Kimura, 2004, p. 2615-2620), nuestra el experimentode la interacción de robots mascota con niños en entor-nos hospitalarios. Para ello, el escenario a pilotar fueniños con edad escolar en las salas de espera de loshospitales y centros hospitalarios. En el estudio se ana-lizó los cambios de humor durante los tiempos deespera de la consultas. Como resultado se demostróque la mayoría de los niños y padres mejoraron suestado de ánimo al introducir el robot mascota en lassalas de espera.

En la Universidad Vrije de Bruselas (Goris, 2009, p. 253-254) se realizó una prueba piloto mediante el uso dela plataforma robótica Probo en el escenario de niñoshospitalizados. En este estudio se demuestra la mejorade la condición de vida de los niños en entornos hospi-talarios. Estos niños requieren distracción y disponer deinformación accesible. Tras el estudio se demostró que 31


32


Probo podría ser utilizado en los hospitales para elentretenimiento, la comunicación y la asistencia médi-ca. Como características técnicas, indicar que el softwa-re que dispone Probo es fácilmente actualizable, deforma que es aplicable a diferentes disciplinas permi-tiendo mediante la implementación de versiones desoftware más específicas el pilotaje en caso de usoespecíficos definidos.

Para fomentar la comunicación de los niños hospitali-zados los investigadores Anastasia et al. de laUniversidad de Toronto (Cheetham, 2000, p. 380-38)presentan el sistema de comunicación denominadoPEBBLES, aplicación robótica destinada a comunicar yenlazar a los niños hospitalizados con sus clases regula-res. La mayoría de los diseños y factores humanos (porejemplo planificación del estudio diario, coordinaciónentre profesores localizados en distintos lugares geo-gráficos, formación individual y especializada) se reali-zaron a través de comunicaciones por video. Aunqueen algunas ocasiones se disponen de limitaciones téc-nicas en relación al ancho de banda y fidelidad deaudio pendientes de resolver, se demuestra el éxito delsistema de telepresencia en niños hospitalizados.

En (Cook, 2005, p. 452-460) los investigadores evalúanel uso de robot en niños con discapacidades motorasgraves y dificultades cognitivas y de lenguaje. El estu-dio se realizó en una escuela hospitalaria en 15 sesio-nes durante cuatro semanas. Las entrevistas con losprofesores relevaron los avances de participación de losniños en clase, en el lenguaje expresivo (vocalizacio-nes, comunicación simbólica, etc.), así como unaumento de interés en las actividades realizadas con elrobot. Tras la experiencia realizada, los profesores tras-ladaron las principales características que debían dispo-ner los robots para conseguir llamar la atención de losniños. Estas características se basan principalmente enel color, el contraste, el carácter, así como la genera-ción de sonidos y música.

En esa misma línea, en el Instituto de SistemasInteligentes AIST, MITI de Tsukuba, Japón (Shibata,2001a, p. 4) (Shibata, 2001b, p. 1053-1058) se desa-rrolla una plataforma robótica mental diseñada paraestimular psicológicamente y fisiológicamente lainteracción física de los niños de los hospitales. Paraello, se introduce dos plataformas robóticas en formasde mascotas, un gato y una foca. Los resultados mos-traron que la interacción física de los niños con lasmascotas influía positivamente en los análisis psicoló-gicos realizados. 785 sujetos evaluaron el robot focamediante análisis multivariado. Mediante una evalua-

ción de la cara de los pacientes y de los cuidadores,se demostró que el uso de los robots mascota facilitala socialización entre otros niños hospitalizados y dis-minuyen la ansiedad que sufren cuando no seencuentran con sus padres y seres queridos. Asímismo se demuestra que se fomenta la comunica-ción de los niños con el personal sanitario. Como casoparticular, un niño autista que había estado hospitali-zado durante 6 meses recuperó su apetito y el habladurante tres semanas de tratamiento. Otro casomuestra la interacción entre el robot foca y un niñohospitalizado a largo plazo. El niño sentía intensodolor en el cuerpo, brazo y piernas que le impedía elmovimiento. Cuando el robot foca mantiene contac-to con el niño, éste sonríe y acaricia la mascota. Elpersonal sanitario en este caso concluyo que ademásde interactuar en el terreno afectivo mental, presen-ta función de rehabilitación.

En el Hospital de Rehabilitación Glenrose de Edmonton,Canadá junto con la facultad de Rehabilitación deMedicina de la Universidad de Alberta, Edmontony y losdepartamentos de ingeniería de la misma universidad(Cook, 2002, p. 178-187) presentan el estudio realiza-do de una plataforma robótica de manipulación parafacilitar el aprendizaje de niños con dificultad severaen el lenguaje y en la captura de objetos. Dicho siste-ma esta diseñado para que modifique su configura-ción dependiendo de las necesidades específicas delusuario. Los interfaces que les permiten controlar y rea-lizar acciones a los niños son de fácil accesibilidad:botones grandes, teclados, punteros láser. El softwaredesarrollado permite que el niño realice una serie detareas de múltiples pasos mediante la activación deinterruptores.

En el estudio se demuestra que la animación, el hablay los movimientos realistas de las plataformas robóticaspresentan un efecto positivo sobre el aprendizaje delos niños con dificultades motrices graves.

Para el caso de uso de la rehabilitación motora deniños con parálisis cerebral los investigadoresAlexander Koening at el (Koenig, 2008, p. 121-126)analizan el uso de entornos virtuales en las plataformasrobóticas. Parten de la hipótesis que la participación enel entrenamiento dependiente de los estímulosaumenta la actividad del paciente, expresada median-te el ejercicio durante la formación asistida por elrobot. En el estudio realizado con niños de 12 años sedemuestra que la participación activa aumenta en pre-sencia de estímulos visuales. Además se realiza unestudio de viabilidad con el fin de evaluar la acepta-

ción de cuatro diferentes escenarios de entorno virtual:escenario de futbol, una situación de tráfico, un obstá-culo en un camino y cruzar caminado por las nieves.Tras este estudio se demostró que el escenario de fut-bol permitía una mayor interacción de los niños en laterapia de rehabilitación. Se demuestra con este estu-dio que el uso de robot en estos entornos hace que lospacientes asistan más motivados a su rehabilitación ypor tanto sea más eficaz.

En el Hospital infantil de duPont en Wilmington,Estados Unidos (Kazi, 1996, p. 114-125) (Schuyler,2000, p. 394-404) se realiza un estudio de terapiasocupacionales para medir la efectividad de la manipu-lación de niños con discapacidades mediante unaayuda robótica. Para ello, tres pruebas de evaluacióndiferentes se realizan a niños con discapacidad físicaen la manipulación de objetos. En todas las pruebas sedemuestra que los niños que de lo contrario no podíanrealizar físicamente las tareas sin el robot, fueron capa-ces de realizar tareas de manipulación con un factorde 20-700 veces mayor que sin el uso de robots.

Focalizándose en el escenario de niños con trastornosdel espectro autista, los autores Pioggia G. et al.(Pioggia, 2007, p. 605-612) estudian las interaccionesde robots con estos niños. Para ello, presentan el robotandroide FACE que dispone de la capacidad de interac-tuar con el ambiente externo, interpretando y transmi-tiendo a través de comunicación no verbal. El objetivode FACE es el definir y probar un protocolo terapéuticopara el autismo con el fin de mejorar las habilidadessociales y emocionales en las personas con autismo. Elestudio clínico tiene como objetivo el comprobar lacapacidad de FACE en la mejora de las habilidades deimitación y atención conjunta en los niños con autis-mo. Para ello se realizará un seguimiento de la aten-ción basado en las características faciales del niño y

además se analiza si el androide con el uso sigue pres-tando un interés para el niño ó como objeto que com-parte con el terapeuta. El pilotaje se realiza con cuatroniños de autismo diagnosticados mediante ADI-R yADOS-G (instrumentos específicos de diagnóstico). Elexperimento se realiza durante veinte sesiones en lassalas de rehabilitación equipadas de dos cámarasorientables a distancia, bajo la supervisión del terapeu-ta. En el estudio se demuestra que los participantesmostraron una capacidad espontánea de la imitaciónde la cabeza y los movimientos faciales del androide.Además se demuestra que los niños con autismo cen-tran su atención hacia los movimientos oculares deFACE guiados del terapeuta

En (Kozima, 2007, p. 385-400) los autores evalúan eluso y la iteración del robot keepon en niños con eda-des comprendidas entre 2 y 4 años, niños con unaedad menor que en el caso anterior. Keepon es unrobot con la capacidad de expresar su atenciónmediante la dirección de su mirada y las emociones.Controlado a distancia, keepon interactúa con losniños con una simple apariencia y acciones. En elexperimento se demuestra que los niños se acercanespontáneamente al robot participando en activida-des. Un análisis cualitativo y cuantitativo de estas inte-racciones demuestra la motivación de los niños autistaspara compartir con los demás los estados emocionalesde keepon y compartir sus sentimientos con los demás,lo cual era una deficiencia en los niños con estas pato-logías. En el estudio se concluye que la inclusión derobots simples como keepon facilitará la interacciónsocial y su desarrollo en los niños autistas.

Del mismo modo en el laboratorio de IngenieríaSoftware de Aizau en Wakamatsu, Japón y en laUniversidad de Tecnología de la Información en SriLanka (De Silva, 2006, p. 1236-1239) se estudia la 33


Figura 1. Plataforma robótica de manipulación pilotada en Edmonton, Canadá

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interacción de los robots, juegosinteractivos en el desarrollo emo-cional de los niños con problemasde salud mental, como son losniños autista. En el trabajo presen-tado se propone un robot multi-agente basado en el sistema inte-ractivo que permite cuantificar elrendimiento del niño. De estemodo este sistema permite medirla intensidad de emoción de losniños en tiempo real para poderdemostrar cuantitativamente losbeneficios de las plataformasrobóticas en estos escenarios.

En Hospital Infantil Bambino Gesúde Roma, Italia junto con el depar-tamento de ingeniería deMassachusetts en los EstadosUnidos, el departamento deNeurología y Neurociencia deWhite Plains y de Baltimore de Estados Unidos(Frascarelli, 2009, p. 135-141) presentan una evalua-ción sobre el uso de la terapia del robot pero en el casode niños con malformaciones congénitas ó adquiridasen el movimiento de las extremidades superiores. En elestudio participaron 12 niños de entre 5 y 15 años conlesiones traumáticas de cerebro y con parálisis cerebraldurante 1 hora tres veces por semana, con una totali-dad de 18 sesiones de terapia robótica. Para la medi-ción de la minusvalía se hace uso de la Escala deMelbourne (MS) y la subdivisión de Fugl- Meyer. El resul-tado de las medidas secundarias fue realizado a travésde la escala de Ashworth modificadas. En el estudio losinvestigadores miden la suavidad, la fuerza y la veloci-dad promedio de los movimientos de alcance limita-do. Los resultados obtenidos demostraron una mejoraen todas las métricas establecidas. Resultando unamejora en las extremidades superiores posturales y portanto beneficioso en la rehabilitación en niños conhemiparesia congénita y adquirida.

Como conclusión de este apartado podemos trasladarlos beneficios demostrados en el uso de plataformasrobóticas en escenarios de niños en entornos hospita-larios con problemas psicoafectivos. Partiendo deestos estudios se definirá un escenario de aplicacióndentro de la asistencia de la salud en el que abarquela interacción con niños con problemas psico-afecti-vos. De tal modo, que dichas plataformas permitanentretener, educar y mitigar el deterioro de habilida-des cognitivas.

4. METODOLOGÍA

Debido a la magnitud del proyecto, se identifican den-tro del mismo una serie de subproyectos, cada uno deellos subdividido internamente en diferentes paquetesde trabajo, que se componen a su vez de tareas. LaFig. 2 muestra los subproyectos de los que se componeACROSS, así como la relación entre ellos, que serándescritos a continuación:

1) Subproyecto SP1: Especificación de requisitos.

El objetivo fundamental será definir la especificaciónde requisitos para cada uno de los distintos niveles: fun-cionales, (demandados por dominios de aplicación),técnicos (consideraciones técnicas previas a la imple-mentación) y de seguridad (a nivel técnico en el trata-miento de información confidencial y a nivel funcionalen la interacción con las personas).

De forma complementaria se contempla un estudioacerca de las necesidades de las PYMES en el ámbitode la robótica y futuras líneas tecnológicas que se con-sideren estratégicas.

2) Subproyecto SP2: Middleware

Este subproyecto constará de tres paquetes de tareasclaramente diferenciados. El primero dedicado al estu-dio de la tecnología existente, el segundo en el quese seleccionará, diseñará e implantará un middlewa-re robótico de soporte. Para finalizar la última tareaconsistirá en la implementación de un conjunto de

Figura 2. Metodología del proyectoCanadá

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componentes que proporcionen funcionalidadescomunes a los desarrollos software de ACROSS.

Las características generales del sistema a desarrollarserán la Arquitectura basada en componentes, conelementos como: Uso de la regla “Componente =Objeto + Proceso + Coms”, código abierto, encapsula-ción, multiplataforma y multilenguaje, funciones a tra-vés de API público, distribuida y el middleware decomunicaciones (comunicación robusta con TPC/UDP,calidad industrial, código abierto, eficiencia…)

Dicho sistema cubrirá capacidades correspondientes auna capa de abstracción de hardware (encapsulamien-to, acceso normalizado, escalabilidad), reconfiguracióndinámica (arranque/parada selectivos, cambios “encaliente”) y herramientas de desarrollo: (generación decódigo, grafos de componentes, acceso a variables,publicación de versiones, documentación…).

El alcance de este subproyecto tiene como fundamen-to por un lado la estandarización del acceso al hardwa-re y por otro la creación de un middleware de fuentesabiertas y con funcionalidades comunes a cualquierrobot auto-configurable (con base para aplicar en ser-vicios sociales). La importancia de este subproyecto esque será usado como software de integración paratodas las demás etapas, proporcionando mecanismosde visibilidad y comunicación eficientes.

3) Subproyecto SP3: Capacidades cognitivas

El esqueleto de este subproyecto está formado princi-palmente por el estudio del comportamiento psico-afectivo en 3 escenarios generales de trabajo, siendola interacción multimodal a través de voz e imagen yel análisis de los dispositivos de interacción quienesconforman el esqueleto de este subproyecto.

Se evaluará el uso de capacidades cognitivas en unrobot móvil sobre 3 escenarios en función del grado deinteracción requerido: simple (monitorización personal,electrodomésticos), media (ayuda tecnológica, apoyopersonal) o avanzada (entretenimiento, mascota).

Se evaluará, más allá de los dispositivos de interacción,la secuencia social entre persona y sistema robótico endiversos contextos de uso, y se analizarán las tecnologí-as emergentes entorno a dispositivos de interacción.

4) Subproyecto SP4: Conocimiento contextual

Este subproyecto girará en torno a elementos relacio-nados con el contexto y el entorno. Algunos ejemplo

son la captura del contexto a través de diferentesmecanismos de sensorización y comunicación, elmodelado del contexto mediante ontologías semán-ticas, razonamiento sobre el contexto capturadomediante motores de reglas y técnicas de aprendiza-je, interpretación y agregación del contexto para lainferencia de situaciones que identifiquen planos deacción o la personalización de la reactividad empo-trada en el entorno teniendo en cuanta la forma deactuar del usuario.

El alcance será enfocado en dos puntos muy concretos:el modelado semántico del contexto, definiendo unaontología que recoja los conceptos y asociaciones quepermiten modelar el contexto y usando inferenciasemántica para dar lugar a la interpretación, agrega-ción y generación de conocimiento implícito desde elexplícito, y el punto de vista de end-user programming,determinando los objetivos o intenciones actuales delusuario, mediante la aplicación de técnicas de conoci-miento cognitivo y contextual.

5) Subproyecto SP5: Automatic Computing

El objetivo fundamental es lograr plataformas robóticascada vez más autónomas. Para ellos se dotarán adichas plataformas de capacidades de “AutonomicComputing”, arquitectura de servicios software inteli-gentes (ámbito IA y Soft-Computing) para tareas como:auto-mantenimiento (monitorización, auto-diagnósti-co, auto-”reparación”, gestión de la autonomía ener-gética), auto-configuración (composición dinámica deservicios, actualización de middleware/software, modo“defensa personal”), auto-aprendizaje (machine-lear-ning, patrones de comportamiento) o swarm robotics(“robótica colaborativa”, computación distribuida paraalcanzar un fin común).

El alcance será la obtención de un sistema básico ygenérico de Autonomic Computing para plataformasrobóticas (extensible a otros sistemas, consumible víaservicios, pug&play&forget, inteligencia artificial y soft-computing) y también explorar el campo de la com-putación distribuida llevándola a sistemas robóticosfísicos.

6) Subproyectos SP6: integración y dominios de aplicación

Entre los objetivos específicos para este subproyectocontamos con la integración de los módulos softwareen el dominio de aplicación Asistencia Social paraProblemas Psicoafectivos (mitigar el deterioro de habi-lidades cognitivas) o el Dominio de aplicación36


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Asistencia Social para Vida Independiente (ayuda tec-nológica a colectivos con diversidad funcional).

Durante el transcurso de este subproyecto se alcanza-rán metas como el análisis de las necesidades deusuario en cada dominio de aplicación, definir, diseñoe implementación diferentes casos de uso y serviciosen cada dominio de aplicación, realización de undocumento de integración y validación de tecnologí-

as, análisis de necesidades no contempladas inicial-mente y extensión a nuevos escenarios.

7) Subproyecto SP7: Explotación, difusión e internacionalización

El objetivo de este subproyecto será promover ladifusión, transparencia, explotación e internacionali-zación de los resultados del proyecto. Para ello seestablecerán varios instrumentos de difusión (portal

Web: http://www.acrosspse.com, comuni-dad Open-Source, publicaciones científi-cas, workshops, etc.). Se tiene como princi-pal objetivo continuar los resultados delproyecto en programas internacionalesbuscando sinergias con otros proyectos endesarrollo.

5. PLATAFORMAS ROBÓTICAS

A continuación se describen las especificacio-nes técnicas de las plataformas robóticas quepueden ser consideradas como integradorasy validadoras de los desarrollos del proyectoACROSS. Estas plataformas robóticas cubrenlos requisitos especificados por los dominiosde aplicación del proyecto.

5.1. TICO

TICO es una plataforma robótica pertene-ciente a la empresa Treelogic. Las dimensio-nes que posee la plataforma son de 1620 x837 x 617 mmm, con un peso total de 70Kg. Se desplaza utilizando 2 motores trifási-cos capaces de transportar 45 Kg, con unavelocidad máxima de traslación de 5 Km/hy una velocidad máxima de rotación de200º/s. Presenta un punto de gravedad muybajo, gracias al cual la plataforma puedeaguantar una inclinación máxima de 45º

Figura 3. Portal Web de ACROSS

Figura 4. Plataforma Robótica TICO

sobre la vertical. Este hecho evita el vuelco ante fuer-tes empujones.

Actualmente el sistema operativo utilizado es Fedora.Debido a las características del PC Embebido y de losdispositivos hardware instalados, la plataforma escompatible prácticamente con la totalidad de lasarquitecturas software robóticas existentes en laactualidad.

TICO tiene una autonomía cercana a las 12 horas conun funcionamiento básico. La autonomía se puedereducir entre 2 y 4 horas en función de la utilizacióndel movimiento, de la utilización simultánea de senso-res y pantalla táctil. La recarga completa de las baterí-as se efectúa en 12 horas.

La plataforma cuenta con un anillo de ultrasonidoscompuesto por 24 sensores, dispuestos cada 15º conun alcance máximo de 300 cm. y un sensor láser quepermite tener un campo de visión de 270º hasta 35 mde distancia. Por último, la base está rodeada por un

anillo de goma con sensoresde presión. Este anillo actúasobre el movimiento del roboty sirve como medida de pro-tección ante choque.

TICO dispone de un sistemaestéreo de visión compuestopor dos focos, preparada parala adquisición y procesamien-to estéreo de imagen quepermite el cálculo de distan-cias. Dispone de un interfazHDMI con una pantalla de 15pulgadas TFT táctil, con resolu-ción de 1024 x 786 pixel, unequipo de dos altavoces esté-reo con una potencia máxi-ma de 10W y dos micrófonosomnidireccionales con unasensibilidad de -35+-4dB.Encima de la pantalla cuentacon una cámara web.

La plataforma robótica tiene una cabeza robóticacon la apariencia que se muestra a continuación(Fig .4) Esta cabeza puede girar 360º sobre la verti-cal y 28º sobre la horizontal. Los ojos dan sensaciónde parpadeo, proporcionando una interacción conel usuario más completa y amigable.

Debido a sus múltiples sensores, esta plataforma escapaz de evitar obstáculos tanto móviles con fijos, y sepuede desplazar por interiores de forma autónomagracias a sus datos de odometría. Gracias a su sensorláser, el robot puede detectar obstáculos a una distan-cia de hasta 35 metros con una gran precisión, siendoademás posible realizar un mapa en tiempo real pro-cesando los datos de este láser. Con la ayuda delmapa creado, el robot puede trasladarse de forma glo-bal en espacios interiores, pudiendo planificar rutasóptimas de tal forma que se pueda desplazar de formasimilar a como lo haría una persona.

Mediante sus sistemas de visión la plataforma escapaz de calcular distancias y reconocer objetos conla cámara estereoscópica. Gracias a la cámara webinstalada encima de la pantalla táctil, el robot escapaz de reconocer a personas. Además, gracias a losmovimientos de su cabeza, éste es capaz de dirigir sumirada hacia la persona y seguirla mientras se estámoviendo. En la pantalla táctil que el robot posee sepuede mostrar todo tipo de información, ya sean pre-sentaciones, páginas web, aplicaciones, videos, imá-genes, etc.

Otra de las funcionalidades del robot es la capacidadtanto de transformar el texto a voz (dándole la capaci-dad de hablar a través de sus altavoces) como la deentender a las personas mediante el reconocimientodel habla gracias a los micrófonos que posee.

5.2. ROINBOT

ROINBOT es una plataforma robótica íntegramentedesarrollada por m-BOT Solutions para la interaccióncon personas en eventos. Las dimensiones del ROINBOTson 1100 x 550 x 550 mm, y tiene un peso de 80 Kg.Dispone de 2 motores DC de 198W que le permitendesplazarse a una velocidad máxima de 4 Km/h.

La autonomía del Roinbot es de 5 horas en funciona-miento. La autonomía se puede ampliar a 8 horas si elfuncionamiento de los motores es limitado. La platafor-ma cuenta con 3 sensores de ultrasonidos en la parteposterior, y un sensor de ultrasonidos y un radar en laparte delantera con un campo de visión de 270º y 4mde distancia.

La funcionalidad principal del robot es buscar la perso-na más cercana y situarse frente a ella, de manera quepueda interactuar con la pantalla táctil. Si no se interac-ciona durante cierto tiempo, se gira para buscar unanueva persona. 38


Figura 5: Plataforma robótica Roinbot

5.3. PLEO

PLEO es un robot comercial creado originalmente porUGOBE y comercializado actualmente por la empresaInnvo Labs, diseñado para entretenimiento, siendo su

principal target consumidor los niños y los amantes dela robótica que quieran una plataforma sencilla y rela-tivamente capaz sobre la que trabajar. Se trata de unacría de dinosaurio de 38 cms de largo, 10 cms deancho y 20 cms de alto que pesa 4 kg.

La plataforma robótica presenta 14 motores de bajonivel de ruido con sensores de retroalimentación defuerza: 2 por pata, 1 para el torso, 2 para la cola (hori-zontal y vertical), 2 para el cuello (horizontal y vertical)y 1 para los ojos y la boca, 8 sensores de tacto en pata,torso, espalda, barbilla y cabeza, 4 detectores desuperficie (1 por pata).

Para la comunicación con el exterior PLEO presenta: untransceptor IR para comunicarse con otras plataformasrobóticas compatibles o recibir señales de mandos adistancia IR compatibles, un interruptor IR en la bocapara detectar objetos en la boca, un sensor de orienta-ción/rotación de seis estados y sensor de agitación(shake sensor).


Figura 6. Plataforma robótica PLEO

Otras características técnicas que presenta el robot son2 micrófonos que detestan cambios de volumen ydirección de sonidos, 1 cámara que detecta niveles deluz e identifica objetos, 1 puerto USB para control yprogramación, 1 slot de de tarjetas SD para actualiza-ción, programación y añadidos. Dispone de una bateríaque reporta carga actual y temperatura con una dura-ción entre 2 y 4 horas y requiere un tiempo de carga de3 horas.

La capa software de PLEO está dividida en tres niveles:bajo nivel, medio nivel y alto nivel. Los niveles bajo ymedio reciben el nombre de LifeOS en clara referenciaa que las tareas que realizan se asemejan a las de unsistema operativo, sirviendo de base a las aplicacionesde usuario, programadas en el lenguaje de scriptPawn, que forman el nivel alto.

Pleo encaja en el caso de uso de problemas psico-afectivos dado que su forma y capacidades se ajustanmuy bien a dicho caso: comportamiento adaptativo,movilidad, y sobre todo, su perfil de mascota quereacciona ante el trato que se le da, en general afec-tivamente. Esto es importante ya que el usuario deesta plataforma probablemente requerirá la respuestaafectiva del robot, pero no es positivo que recibadicha respuesta afectiva independientemente de loque haga, lo que lleva un poco a un nivel básico derelación social.

Este robot posee una serie de estados de ánimo ofre-ciendo una interacción avanza con el usuario emu-lando el comportamiento de una mascota real. PLEOademás posee una SDK mediante la cual se puedenprogramar comportamientos personalizados. Podríadestinarse al caso de uso de problemas psico-afecti-vos dado que su forma y capacidades se ajustan muybien a dicho caso: comportamiento adaptativo,movilidad, y sobre todo, su perfil de mascota quereacciona ante el trato que se le da, en general afec-tivamente. Esto es importante ya que el usuario deesta plataforma probablemente requerirá la respues-ta afectiva del robot, pero no es positivo que recibadicha respuesta afectiva independientemente de loque haga, lo que lleva un poco a un nivel básico derelación social.

5.4. NAO

NAO es un robot bípedo de tipo humanoide diseña-do para propósitos de investigación y educacionalespor la compañía francesa Aldebaran Robotics. Su

programación y control es independeinte de la pla-taforma utilizada, Linux, Windows XP o Mac OS X.Admite diferentes lenguajes de programación (URBIScript, C, C++, Python), a través de diferentes entor-nos de programación.

Para realizar sus movimientos, Nao está dotado de 25grados de actuación que le permiten gran movilidady precisión de movimientos. Los sensores inercialesestán dispuestos para mantener la estabilidad delrobot, así como posicionarlo en el espacio. Los senso-res sonar se instalaron para la detección y evasión deobstáculos.

Su capacidad de interacción se basa en unos módu-los software que permiten características como text-to-speech, reproducción de música, localización desonidos, detección de patrones visuales, caras y figu-ras coloreadas, detección de obstáculos, así comoefectos visuales y de comunicación a través de leds.Todo ello gracias a los componentes multimedia inte-grados: sistema de altavoces hi-fi, micrófonos, 2cámaras digitales

La programación de Nao se efectúa a través de unentorno abierto que permite la interacción de módu-los distribuidos de software. En función de la experien-cia de programación del usuario, Nao se puede con-trolar vía Coreographe, programando módulos C++, ointeractuando con APIs de lenguajes script. Además,los usuarios más avanzados pueden acceder en bajonivel a los sensores y actuadores con objeto de cam-biar el código original por elementos de control pro-pios. Por último, las secuencias de movimiento pue-den ser validadas a través de MS Robotics Studio oCyberbotics Webots.

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Figura 7. Plataforma robótica NAO

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Nao presenta unas dimensiones de 58cm de altura y4.3kg de peso. Dispone de 25 grados de libertad (2 enla cabeza, 5 en cada brazo, 1 en cada mano, 1 en lapelvis y 5 en cada pierna). Gracias a los 25 grados delibertad que posee es capaz de realizar multitud demovimientos siendo posible reproducir gran cantidademociones corporales así como movimientos similaresa los de las personas.

A nivel de multimedia incorpora: 2 altavoces de36mm de diámetro situados en las orejas, 4 micrófo-nos y 2 cámaras CMOS digitales VGA 640x480, 30 fps.Los altavoces y micrófono permiten la emisión y reco-nocimiento de voz, así como usa dos cámaras para elreconocimiento de objetos y personas.

Respecto a los sensores, dispone de 4 sensores de ultra-sonidos dispuestos en el pecho en 2 canales, 4 senso-res de fuerza en cada pie, 1 sensor bumper en el fron-tal de cada pie, 2 sensores de infrarrojos en los ojos, 2sensores inerciales (1 acelerómetro de 3 ejes y 1 girós-copo de 2 ejes) y sensores de posición efecto Hall sobrecada articulación con resolución de 0.1º

Los actuadores son motores Coreless MAXON DC. Loshay de dos tipos diferentes y con dos tipos de reduccio-nes diferentes para cada tipo de motor, según las nece-sidades de cada articulación. El control de los motoresse realiza mediante microcontroladores dsPIC incorpo-rando un algoritmo tipo PID, con parámetros configura-bles. Las consignas son de posición y se miden median-te los sensores de efecto Hall.

La interacción lumínica se realiza mediante 2 gruposde 8 leds RGB en los ojos, 2 grupos de 10 leds azulesen las orejas, 1 led RGB en el torso y 1 led RGB en cadapie La conexión a PC puede realizarse por Wi-Fi IEE802.11g o Ethernet.

CONCLUSIONES

El principal reto que asume el proyecto ACROSS es elde modificar la concepción actual de la robóticasocial y de la salud, estancada en proveer serviciospreestablecidos y difícilmente reconfigurables, dandoel paso a crear sistemas inteligentes, capaces deautoreconfigurarse y modificar su comportamiento deforma autónoma mediante capacidad de compren-sión, aprendizaje y acceso a software remoto.

Con el objetivo de proporcionar un marco abierto decolaboración entre empresas, universidades, centrosde investigación y la Administración, el proyecto

ACROSS se apoyará en la filosofía de generación desoftware Open Source. Este hecho garantiza la conti-nua evolución del sistema ACROSS a partir de la inte-gración de nuevos agentes tecnológicos.

La nueva concepción de robots diseñados e imple-mentados en ACROSS proveerá sistemas capaces demodificar su comportamiento de forma autónomaaccediendo a software remoto. En el proyecto, ade-más se profundizará en todas aquellas herramientasque permitan componer distintos perfiles de personasde tal forma que el comportamiento del robot se ade-cue a sus preferencias y contexto actual, consiguiendouna mejora sustancial en los aspectos emocionales ycontextuales que afectan a la interacción entre las per-sonas y las máquinas. Se analizará y estudiará lascaracterísticas de sensorización de las plataformasrobóticas. Estas capacidades deben actuar como inter-mediario entre el usuario y el agente físico, de talforma que la información se transfiera de forma bidi-reccional adaptada a las características físicas de cadapersona.

Para tal fin, se investigará el estado del arte de méto-dos y tecnologías de interacción multimodal usuario-máquina. Actualmente existen importantes tecnologí-as que no se encuentran directamente ligadas con larobótica social y que, sin embargo, pueden aportar ungran valor añadido en las vías de comunicación y rea-limentación dentro de la interacción humano-máqui-na. Se estudiarán también las tecnologías de persona-lización, encargadas de la adaptación de los diferentesrecursos y servicios de la plataforma al perfil concretodel usuario en entornos dinámicos. Así como se diseña-rán e implementarán los protocolos de descubrimien-to, composición y ejecución de servicios lo más autóno-mamente posible.

El último paso corresponderá a validar los resultadosobtenidos en los dominios de aplicación. Es necesarioconsiderar la gran complejidad de estos escenariosdebido a los requisitos especiales que presentan.

AGRADECIMIENTOS

El proyecto ACROSS (TSI-020301-2009-27) ha sido apro-bado por el subprograma Avanza I+D dentro de la con-vocatoria de ayudas de Acción Estratégica deTelecomunicaciones y Sociedad de la Información2009, habiendo sido financiado por el Ministerio deIndustria, Turismo y Comercio (MITYC) y el FondoEuropeo de Desarrollo Regional (FEDER).

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Cheetham A., Young C. and Fels D. Interface deve-lopment for a child’s video conferencing robot(2000). Proceedings of the XIVth Triennial Congressof the International Ergonomics Association and44th Annual Meeting of the Human Factors andErgonomics Association, ‘Ergonomics for the NewMillennium’, p. 380-383.

Cook A., Meng M., Gu J. and Howery K (2002).“Development of a robotic device for facilitatinglearning by children who have severe disabilities”,IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitation Engineering, 10 (3), p. 178-187,ISSN: 15344320.

Cook A., Bentz B., Harbottle N., Lynch C. and MillerB (2005). “School-based use of a robotic arm systemby children with disabilities”, IEEE Transactions onNeural Systems and Rehabilitation Engineering, 13(4), p. 452-460.

De Silva P., Madurapperuma A. P. , Marasinghe A.and Osano M (2006). A multi-agent based interacti-ve system towards child`s emotion performancesquantified through affective body gesture.Proceedings- International Conference on PatternRecognition, vol1 p. 1236-1239.

Frascarelli F., Masia L., Di Rosa G., Cappa P., PetrarcaM., Castelli E. and Krebs H.I. (2009). “The impact ofrobotic rehabilitation in children with acquired orcongenital movement disorders”, European Journalof Physical and Rehabilitation Medicine, 45, p. 135-141.

Goris K., Saldien J. and Lefeber D (2009). Probo, atestbed for human robot interaction. Proceedingsof the 4th ACM/IEEE International Conference onHuman-Robot Interaction, HRI’09, p. 253-254.

Kazi Z., Chen S., Beitler M., Chester D. and Foulds R(1996). Multimodally controlled intelligent telerobotfor people with disabilities. Proceedings of SPIE - TheInternational Society for Optical Engineering, ,Telemanipulator and Telepresence Technologies III,v 2901, p. 114-125.

Kimura R., Abe N., Matsumura N., Horiguchi A.,Sasaki T., Negishi T., Ohkubo E. and Naganuma M(2004). Trial of robot assisted activity using roboticpets in children hospital. Proceeding of the SICEAnnual Conference, p. 2615-2620.

Kimura R., Sugiyama Y., Ohkubo E., Naganuma M.,Hiruma K., Horiguchi A., Abe N., Hatano E., SuzukiK., Sekine K., Hiranuma A. and Yamanouchi (2005).Child and pet-robot interaction in children’s’ hospital(1) theoretical issues and procedure. Proceedings ofthe SICE Annual Conference, p. 2336-2341.

Koenig A., Brütsch K., Zimmerli L., Guidali M.,Duschau-Wicke A., Wellner, M., Meyer-Heim A.,Lünenburger L., Koeneke S., Jäncke L. and Riener R(2008). Virtual environments increase participation ofchildren with cerebral palsy in robot-aided treadmilltraining. Virtual Rehabilitation, IWVR, p. 121-126.

Kozima H., Nakagawa C. and Yasuda Y (2007).“Children-robot interation: a pilot study in autism the-rapy”, Progress in Brain Research, 164, p. 385-400.

Pioggia G., Sica M., Ferro M., Igliozzi R., Muratori F.,Ahluwalia A. and De Rossi D. (2007). Human robotinteraction in autism; FACE, an android based socialtherapy. Proceding IEEE International Workshop onRobot and Human Interactive Communication, p.605-612.

Schuyler J.L. and Mahoney R.M (2000). “Assessinghuman-robotic performance for vocational place-ment”, IEEE Transactions on RehabilitationEngineering, 8 (3), p. 394-404, ISSN: 10636528.

Shibata T., Mitsui T., Wada K., Kumasaka T., TagamiK. and Tanie K (2001a). Therapy of children assistedby mental commit robot. IEEE/ASME InternationalConference on Advanced Intelligent Mechatronics,AIM, v 1, p. 4.

Shibata T., Mitsui T., Wada K., Touda A., KumasakaT., Tagami K. and Tanie K (2001b). Mental commitrobot and its application to therapy of children.IEEE/ASME International Conference on AdvancedIntelligent Mechatronics, AIM, v 2, p. 1053-1058.

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I. INTRODUCCIÓN

Personas con discapacidad motora enfrentan diversosproblemas en lo que se refiere a la movilidad en lasinstalaciones públicas y domiciliares. Cuando el usuarioposee la capacidad de manipulación intacta, puedeutilizar un joystick para controlar una silla de ruedaseléctrica. Sin embargo, cuando dicho individuo poseemovilidad muy reducida o nula, debido a cuadriplegíao tumores en la médula espinal, dicho individuopuede pasar el resto de su vida en completo estado dedependencia social (Cassemiro and Arce, 2004).

Cuando la discapacidad se debe a NeuropatíasMotoras – en especial Esclerosis Lateral Amiotrófica(ELA) – los problemas van mucho más allá de la faltade movilidad y dependencia social: el individuo atrofiagradativa y crónicamente su capacidad de comunica-ción y de expresar cualquier deseo, sentimientos onecesidades. Aunque la medicina actual sea capaz de

alargar la vida de dichas personas, utilizando drogasavanzadas, el paciente permanece prisionero de supropio cuerpo, puesto que no posee cualquier calidadde vida. Frustración, ansiedad y depresión son senti-mientos normalmente incorporados al día a día dedichos pacientes (Borges, 2003).

La tecnología de asistencia puede contribuir a travésde la creación de dispositivos que utilicen señales bio-lógicas para maximizar las capacidades comunicativasde dicho individuo, una vez que la deformación ydegeneración de las células musculares, característicasde la ELA, no afectan aspectos cognitivos (Hori et al.,2004). Si el paciente posee un buen control de losmúsculos de la cara, la señal de comando se puedegenerar a través de parpadeos.

Sin embargo, el avance de la enfermedad lo imposi-bilita de controlar confiablemente sus parpadeos.Así, una fuente de señales biológicas útil en grados 43


Silla de Ruedas Robótica con Interfaz de Comunicaciónpor PDA Comandada porSeñales CerebralesAndré Ferreira, Rafael Leal Silva, Teodiano Freire Bastos-Filho y Mário Sarcinelli-Filho_______________________Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Brasil{andrefer, rafael, teodiano, mario.sarcinelli}@ele.ufes.br

RESUMEN

En este trabajo se presenta un sistema que permite auna persona con grave discapacidad neuromotora ele-gir símbolos en una PDA a bordo de una silla de rue-das, utilizando solamente señales electroencefalográfi-cas (EEG). A través de dicha elección, el usuario puedeexpresar sus necesidades o estados, tales como sueño,

sed, hambre, etc; redactar textos en un teclado alfanu-mérico y además comandar una silla de ruedas robóti-ca. Los patrones de EEG utilizados son la sincronizacióny desincronización relacionadas a eventos (ERS y ERD,respectivamente) presentes en la banda alfa de laregión occipital del cerebro. Se detalla el sistema deadquisición y se presentan resultados experimentalesdel trabajo realizado.

PALABRAS CLAVE

Interfaces, Cerebro Computador (ICC), Silla de Ruedas Autónoma, Electroencefalografía (EEG), Asistente Digital,Personal (PDA).

avanzados de la enfermedad es el cerebro. A travésde señales eléctricas obtenidas en la superficie de lacorteza, proceso denominado electroencefalografía(EEG), es posible encontrar patrones y asociarlos adeterminadas acciones (Wolpaw et al., 2002; Millán etal., 2003).

Utilizando el EEG como señal de entrada del sistema encuestión, en este trabajo se ha desarrollado una InterfazCerebro-Computador (ICC) capaz de interpretarla e inte-ractuar con una PDA (del inglés, Personal DigitalAssistant) y con una silla de ruedas eléctrica. Dicha inter-faz posibilita un canal de comunicación entre el cere-bro del operador y el mundo, además de permitir elcontrol de la silla. La interfaz desarrollada es basada en(Ferreira et al., 2006; Frizera-Neto et al., 2006).

La estructura de la ICC desarrollada y la interacción conel ambiente alrededor se presentan en la Fig. 1.

Tras la adquisición de la señal de EEG, existe una etapade acondicionamiento y luego la conversión analógicodigital. En el computador, se filtra la señal para la bandade interés (8 a 13 Hz) en la fase de preprocesamiento.La varianza de la señal es la característica de interés,

la cual se transmite al clasificador. Basado en un umbralajustable, el clasificador identifica la voluntad, o no, deloperador de seleccionar el símbolo presentado por laPDA. En caso afirmativo, una interfaz de comunicación

consulta la PDA y envía dichas informaciones para elmódulo siguiente, que es el responsable por generar lasseñales de control necesarias para que la silla ejecute latarea deseada. El lazo de realimentación se cierra a tra-vés del operador (bio-realimentación).

La PDA a bordo de la silla de ruedas actúa como inter-faz gráfica y contiene las posibles opciones de elecciónpor el usuario, tales como el movimiento deseadopara la silla, expresar sentimientos y necesidades o rea-lizar comunicación en forma de texto. Las alternativasque la PDA ofrece son seleccionadas a través de un sis-tema de barrido automático de líneas y columnas.Dicha interfaz informa cada opción elegida a través deun altavoz, facilitando la comunicación con personas asu alrededor.

La estructura general del sistema desarrollado se pre-senta en la Sección II. El sistema de adquisición y lastécnicas utilizadas en el procesamiento de la señal deEEG se muestran en la Sección III, seguidos por una des-cripción de la plataforma de la PDA (Seção IV).Finalmente, se presentan resultados experimentales(Sección V), así como el análisis de los resultados y laconclusión del trabajo (Sección VI).

II. ESTRUCTURA DEL SISTEMA DESARROLLADO

Además de la silla eléctrica propiamente dicha, el sis-tema desarrollado cuenta con una tarjeta para accio-namiento de los motores y recepción de datos proce-dentes de los sensores (encoders, sonares, RFID, infra-rrojo, magnético y ZigBee); un mini-PC a bordo de lasilla para el procesamiento de señales EEG y comunica-ción con la PDA; y una tarjeta microcontroladora (basa-da en el MSP430 de Texas Instruments, Inc.) para servircomo interfaz entre los sensores y el mini-PC, y para elcontrol de velocidad de los motores. La Fig. 2 muestracomo se interconectan los componentes.

El sensor magnético detecta la proximidad de una puer-ta a través de una tarja metálica fijada en el suelo.

En este instante, el sistema de control se desactiva paraque un sistema de control auto-guiado entre en opera-ción, haciendo con que la silla de ruedas siga, conseguridad, el camino formado por la tarja metálica através de las puertas.

RFID (del inglés, Radio-Frequency IDentification) es unmétodo de identificación automática en el que unlector RFID (módulo activo) accede a la informacióncontenida en una tarjeta RFID (módulo pasivo) a través44


Figura 1. Estructura de la ICC.

de ondas de radio. Los módulos pasivos de RFID se ubi-can en los umbrales de las puertas, lo que permite que,al pasar por una puerta, el sistema de control de la sillarealice la lectura de la tarjeta identificadora, calibrandola odometría y eliminando los errores acumuladoshasta aquel instante, errores estos que son debidos aholgaduras y deslizamientos de las ruedas de la silla,principalmente durante la realización de curvas.

Los transceptores ZigBee se utilizan a bordo de la sillade ruedas para comunicación con los sensores instala-dos en el entorno, con el fin de obtener la informaciónde su localización en cada momento, aportando, ade-más, redundancia con el sistema odométrico, paracorrección de errores de localización de la silla.

El mini-PC (mini-ITX) utilizado es un computador dedimensiones y consumo de energía inferiores a los de PCsconvencionales, y se destina a aplicaciones embarcadas.

Posee un procesador de 1 GHz y 1 GB de RAM que se uti-lizan para el procesamiento y análisis de señales conmayor demanda computacional. La comunicación entrela PDA y el mini-ITX se realiza a través de una puerta serial,mientras la interfaz con el sistema de adquisición de seña-les biológicas se realiza a través de la puerta paralela(aunque los datos se transmitan de forma serial). Tras larecepción de los datos, el mini-ITX se responsabiliza por elpreprocesamiento, extracción de características, clasifica-ción y generación de la señal de control.

III. ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO

El sistema de adquisición de señales EEG se componede una tarjeta de condicionamiento de señales y unabasada en el CI AD7716 de la Analog Devices, paradigitalización y filtrado de la señal.

La tarjeta de condicionamiento de señales posee doscanales de adquisición que se pueden conectar deforma bipolar, formando un único par, o de forma uni-polar, donde cada canal se muestrea de forma indepen-diente en relación a la referencia. Un tercer electrodo seutiliza como referencia para la salida del amplificador yse conecta al lóbulo de la oreja derecha del operador.

Un filtro pasa-altas, ajustado para 0,1 Hz, evita la satura-ción de los amplificadores, debido a la señal continuadel acoplamiento existente entre el electrodo y la piel.

Un filtro Butterworth pasa-bajas de cuarta orden, actuan-do en 32 Hz, limita la banda de frecuencia para elrango de EEG de interés y disminuye la influencia de

artefactos de la red. Artefactos son ruidos y disturbios quecontaminan la señal bajo estudio, y se originan de dife-rentes formas, tales como artefactos musculares, cardía-cos, de orden técnica (ruido de la red eléctrica, mal con-tacto de los electrodos), entre otros. Se suele utilizar uncircuito de Body Driver con el intuito de reducir la influen-cia de los artefactos de red (Webster, 1998). Exigenciasde alta impedancia de entrada, altas tasas de rechazoen modo común (CMRR) y bajo nivel de ruido son algu-nas de las características del circuito de condicionamien-to desarrollado, de modo que se aproxime al máximode las características deseadas para un electroencefaló-grafo (Cooper and Helfrick, 1991). La ganancia del cir-cuito es ajustable en dos diferentes etapas.

La segunda parte del sistema de adquisición utiliza elAD7716, que es un módulo de procesamiento deseñales para sistemas de adquisición de datos. Poseeresolución de 22 bits y cuatro canales de conversiónA/D. Además, contiene un filtro pasa-bajas digital inte-grado, con frecuencias de corte seleccionables en 36,5Hz, 73 Hz, 146 Hz, 292 Hz y 584 Hz. La frecuencia demuestreo utilizada es 140 Hz y el filtro pasa-bajas se ha 45


Figura 2. Estructura del sistema desarrollado

Figura 3. Respuesta del filtro (8 la 13 Hz)

ajustado para 36,5 Hz. Tras su digitalización y filtrado(Kaiser window, vide Fig. 3), la señal se envía al PC porla puerta paralela.

Los patrones de interés de la señal de EEG es muyimportante para la elección de los métodos de aná-lisis y procesamiento (Lehtonen, 2003). En este tra-bajo se utilizan patrones de sincronización y desincro-nización relacionados a eventos (ERS y ERD, respecti-vamente). Dichos patrones se caracterizan por altera-ciones en el nivel de energía de la señal de EEG enuna banda específica de frecuencia, donde elaumento de energía caracteriza un ERS y una dismi-nución caracteriza un ERD (Pfurtscheller andda~Silva, 1999). La banda de frecuencia utilizadapara detección de dichos patrones es la banda alfa(8 la 13 Hz) y las señales se colectan en la regiónoccipital de la corteza, a través de electrodos posicio-nados en O1 y O2, de acuerdo con el SistemaInternacional 10-20 (vide Fig. 4).

Un operador con los ojos abiertos (existencia de excita-ción visual y concentración) mantiene el ritmo alfa enestado de baja energía. Cuando los ojos se cierran(ausencia de excitación visual y relajamiento), hay unincremento acentuado de dicha energía, caracterizan-do un ERS. La observación de la varianza de la señal fil-trada permite la detección de los cambios de estadoen la señal de EEG, como mostrado en la Fig. 5.

El segundo gráfico en la Fig. 5 se genera a través deuna ventana móvil (avances de 1 muestra) con N = 280muestras (N es el número de muestras del conjunto y sedetermina empíricamente) de la señal de EEG filtrada (xk), para la cual la varianza se calcula por

y el promedio µ se obtiene por

La varianza se utiliza como entrada del clasificadorbasado en umbral. Así, es posible identificar el deseode selección de un determinado símbolo por parte deloperador. Se envía, entonces, una requisición a la PDA,vía conexión serial, la cual devuelve la informaciónsobre la acción deseada por el operador. El mini-PC debordo calcula entonces las señales de control necesa-rias para la realización de la tarea elegida y las envíapara el módulo de control de bajo nivel de la silla.

IV. PDA

La PDA utilizada en la silla es un modelo de la DELL –el Axim X50, con Windows Mobile 2003. Presentacomo características una pantalla de 3,5 pulgadas,procesador de 520 MHz y memoria de 64 MB. Lacomunicación entre la PDA y el mini-PC se realiza deforma serial, y el circuito integrado MAX232 actúacomo conversor entre los niveles de tensión TTL delPDA y RS-232 del computador.

El programa existente en la PDA se denomina CSRR,sigla referente a Control de Silla de Ruedas Robótica yha sido desarrollado en eMbedded Visual C++ 3.0. Elsoftware posee una interfaz sencilla, de forma quecualquier usuario sea capaz de manejarlo, en lo quese refiere a la selección de las opciones. Aunque lasimplicidad dificulte la presencia de estructuras flexi-bles, garantiza al usuario el control sobre el software ymayor confiabilidad, minimizando la frustración gene-rada por la necesidad de auxilio externo.

El programa se inicia en la pantalla PRINCIPAL, desdedonde es posible navegar para todas las alternativasque el programa ofrece. Es posible al usuario comuni-carse a través de voz artificial, expresar sentimiento o

σ2 = 1N

Nk=1 (xk − µ)2

µ = 1N

Nk=1 xk

46


Figura 4. Sistema Internacional 10-20, donde se pueden ver las ubica-ciones O1 y O2, en las cuales se posicionan los electrodos para adquisi-ción de las señales cerebrales.

0 1 2 3 4 5 6 7−0.5

0

0.5(a)

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6 70

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05(b)

Tiempo [s]

ERS

ERD

Figura 5. (a) Señal de EEG filtrada e indicaciones de ERD y ERS. (b)Aumento de la varianza en presencia de un ERS.

estado de salud y guiar la silla en el ambiente. Todasesas opciones poseen salida de voz a través de altavo-ces existentes en la silla de ruedas. La Fig. 6 presentala pantalla principal del programa.

El usuario selecciona los símbolos de la PDA, dispuestosen forma matricial, auxiliado por un sistema de barridoautomático. Cada línea permanece preseleccionadapor un tiempo, hasta que el usuario confirme al sistemasu intención de selección. Tras la elección de la línea, elproceso se repite para las columnas. Una desventaja delsistema de barrido es la baja tasa de transmisión dedatos, por ejemplo, en una pantalla de redactar texto.

La pantalla ESTADO, posee función de comunicacióninterpersonal. Se ofrece al usuario opciones que indi-can situaciones específicas a las personas alrededor,siendo que en algunas de ellas, como SERVICIO,DOLOR, PICAZÓN, etc., el tiempo de aviso es factor cru-cial. Aunque todos los símbolos de dicha pantalla pue-dan ser escritos en la pantalla TEXTO, dicho modo deselección es mucho más rápido de que escribir el esta-do letra por letra, además de que dicho método supo-ne la necesidad de que las personas alrededor seanavisada inmediatamente. Todas las situaciones semuestran en la Fig. 7.

La pantalla TEXTO, mostrada en la Fig. 7, posibilita alusuario una forma de comunicación directa, a travésde un altavoz, con personas al su alrededor, utilizandola selección de letras y números. Es posible demostrar,más específicamente, sentimientos y deseos, compartirexperiencias o agradecer. Aunque sea un proceso decomunicación lento, aún así posibilita un canal decomunicación a través de voz artificial, capacidad esaatrofiada con el pasar del tempo en pacientes portado-res de ELA.

La pantalla MOVIMIENTO permite al usuario moverseen cualquier tipo de ambiente, estructurado o no.Las opciones se muestran en la Fig. 7 y funcionancon comandos enviados directamente a los motoresde la silla, posibilitando un desplazamiento indepen-diente. La opción FRENTE permite al usuario mover lasilla hacia adelante durante el tiempo que sea nece-sario, y es el más utilizado entre todas las opciones.En ambientes externos, es muy común el uso deGIRAR IZQ y GIRAR DER, que permiten al usuariogirar a la izquierda y a la derecha, respectivamente,por un ángulo arbitrado por él. En ambientes inter-nos, tales como hospitales, edificios y residencias,IZQUIERDA, DERECHA y TRAS posibilitan curvas de 90?para la izquierda, 90? para la derecha y un pequeñodesplazamiento predeterminado para tras, respecti-vamente. La presencia de este último caso se expli-ca en las situaciones en las cuales la silla se encuen-tra en un ambiente estrecho. El retorno sería imposi-ble a través de un giro inicial de 180?, en función delpequeño espacio lateral y de la dimensión y formade la silla. Se permite únicamente un pequeño des-plazamiento fijo de la silla por razones de seguridad,evitando que el usuario intente navegar para tras,con visibilidad nula.

V. EXPERIMENTOS

La Fig. 8 presenta un usuario realizando pruebas con lasilla robótica. El procedimiento de preparación delusuario consiste en una rápida limpieza del localdonde se ubican los electrodos, que son las posicionesO1 y O2, y el lóbulo de la oreja derecha del usuario,donde se conecta el electrodo de referencia. Se aplicaun gel o pasta entre el electrodo y la piel, con vista adisminuir la impedancia de acoplamiento.

47


Figura 6. Pantalla PRINCIPAL delprograma CSRR.

Figura 7. Pantallas ESTADO, MOVIMIENTO y TEXTO del programa CSRR.

La Fig. 9 muestra la pantalla principal del softwaredesarrollado, con las señales adquiridas y procesadas.La señal que llega al PC se muestra en la pantallasuperior. La pantalla intermedia contiene la señal filtra-da y, en la pantalla inferior, se muestra la evolucióntemporal de la varianza de la señal filtrada. Se permi-te al usuario alterar las escalas de las señales, ajustar lazona muerta de la varianza, entre otras posibilidades.Además, se presenta al usuario el estado en que el sis-tema se encuentra, sea un ERD o ERS.

El análisis de la banda alfa, a través de la señal filtradaentre 8 y 13 Hz y de la varianza de dicha señal filtra-da, muestra claramente los instantes en que el usuarioestá con los ojos cerrados (varianza alta) y desea selec-cionar el comando presentado por la PDA. Dichos ins-tantes son los estados de alta energía de la señal. Lastransiciones de estado se detectan a través del clasifica-dor basado en umbral (Seção III). Existe una zonamuerta ajustable, añadida al clasificador, que impideque pequeños cambios en los valores de la varianzageneren selecciones indeseadas.

Artefactos relacionados a los parpadeos naturales delos ojos, que ocurren generalmente por vuelta de 5 Hz,se eliminan en el filtrado, lo que ha sido comprobadoen los experimentos realizados.

Aunque el usuario cierre los ojos para generar la señalde selección, las señales utilizadas son únicamente deEEG y no electromiográficas (EMG). Si los ojos del usua-rio se cubren con un objeto, bloqueando la llegada deestímulos luminosos, aún así se genera el patrón ERS,lo que muestra que independe de la actividad muscu-lar generada por el cierre de los ojos.

VI. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

El sistema desarrollado se ha probado en ambientesinternos y externos, y en todos los casos ha funcionadode forma satisfactoria, de acuerdo con las opiniones delos usuarios que han utilizado la silla. Dichas informa-ciones están disponibles en la página del grupo deinvestigación de la UFES1.

El sistema desarrollado se ha mostrado eficiente en laselección de comandos para la silla de ruedas a travésde señales de EEG. Se requiere un mínimo de familia-rización y entrenamiento para operación de la silla,aunque el sistema todavía no tenga sido probado enusuarios con discapacidad neuromotora severa.

La practicidad y rapidez en la fijación de los electrodos,simplicidad de operación de la interfaz gráfica y facili-dad de adaptación del sistema a otras sillas eléctricasson atractivos importantes cuando considerados losusuarios finales de esta tecnología de asistencia.

Es importante resaltar que varios otros trabajos se encuen-tran en desarrollo, utilizando la silla de ruedas, que son:

• incorporación al sistema actual de un controladorcapaz de guiar la silla, en seguridad, desde la locali-zación corriente hasta otra predefinida, de formaque el usuario no necesitará elegir movimientos indi-viduales, pero únicamente el símbolo que represen-ta el destino deseado (sala, cocina, servicios, etc.);

• conexión de todos los sensores a la tarjeta microcon-troladora y realización de la comunicación de la sillade ruedas con sensores ubicados en el ambiente,configurando, así, un espacio inteligente para lanavegación de la silla de ruedas;

48


Figura 8. Experimentos con la silla robótica. Figura 9. Software desarrollado para representación de señales.

10 http://www.ele.ufes.br/-tfbastos

• incorporación del sistema de captura de movimien-to del globo ocular, a través de una cámara de video(videooculografía, VOG);

• pruebas con transformada wavelet y redes neurona-les aplicadas a señales cerebrales capturadas en laregión motora (ubicaciones C3, C4 y Cz), con vista areconocer estados mentales que caractericen unaforma más intuitiva de comandar la silla de ruedas,sin la necesidad de cerrar los ojos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a CAPES, FAPES y FACITEC, deBrasil, por el aporte financiero para esta investigación.

REFERENCIAS

Borges, Cláudia Fernandes (2003). Dependência emorte da “mãe de família”: a solidariedade familiar ecomunitária nos cuidados com a paciente de escleroselateral amiotrófica. Psicologia em Estudo 8, 21–29.

Cassemiro, Cesar Rizzo and Carlos G. Arce (2004).Comunicação visual por computador na esclerose late-ral amiotrófica. Arquivos Brasileiros de Oftalmología67(2), 295–300.

Cooper, W. D. and A. D. Helfrick (1991). InstrumentaciónElectrónica Moderna y Técnicas de Medición. Prentice Hall.

Ferreira, Andre, Teodiano Freire Bastos-Filho, MarioSarcinelli-Filho, Fernando Auat Cheein, Jose F. Postigoand Ricardo Carelli (2006). Teleoperation of an indus-trial manipulator through a TCP/IP channel using EEGsignals. In: Proceedings of the International Symposiumon Industrial Electronics (ISIE 2006). Montreal, Canada.pp. 3066–3071.

Frizera-Neto, Anselmo, Wanderley Cardoso Celeste,Vinicius Ruiz Martins, Teodiano Freire Bastos-Filho andMario Sarcinelli-Filho (2006). Human-machine interfacebased on electro-biological signals for mobile vehicles. In:Proceedings of the Internacional Symposium on IndustrialElectronics (ISIE 2006). Montreal, Canada. pp. 2954–2959.

Hori, J., K. Sakano and Y. Saitoh (2004). Developmentof communication supporting device controlled by eyemovements and voluntary eye blink. In: Proceedings ofthe 26th Annual International Conference of the IEEEEMBS. San Francisco.

Lehtonen, J. (2003). EEG-based brain computer interfa-ces. Master’s thesis. Helsinki University of Technology.Helsinki, Finlandia.


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ROBÓTICA: ASISTENTES PARA EL SER HUMANO

Desde épocas muy remotas el hombre ha deseadoconstruir máquinas que tengan forma de seres huma-nos y le ayuden a realizar las operaciones que no legustan, las que le resultan aburridas o peligrosas. Adiferencia de un empleado humano, una máquinanunca se cansaría ni se enfermaría y siempre estaríadispuesta a trabajar. Los elementos que pueden fun-cionar automáticamente se utilizan desde épocas tanremotas como la antigua Grecia, sin embargo, eshasta mediados del siglo veinte cuando se lograronmaterializar los primeros robots industriales.

Estos robots industriales distaban mucho de los sueños depoder contar con una máquina con forma de ser huma-no. Casi cincuenta años después de la aparición de losprimeros robots se sigue trabajando en el diseño y fabri-cación de estas máquinas similares al ser humano.

Algunos ejemplos de estos desarrollos se pueden con-sultar en las siguientes páginas:

• QRIO (http://www.sony.net/SonyInfo/QRIO/top_nf.html/)

• ASIMO (http://world.honda.com/ASIMO/)

• Waseda University Humanoid (http://www.huma-noid.waseda.ac.jp/)

LA ROBÓTICA APLICADA AL SER HUMANO: BIÓNICA

En la década de los años 1970 se popularizaron lasseries de televisión “El hombre nuclear” y “La mujerbiónica”, en las que los protagonistas habían perdidoalgunos de sus miembros y éstos fueron sustituidos porelementos artificiales que les permitían tener poderessobrehumanos, tales como una gran fuerza y veloci-dad, visión y oído con mucho mayor alcance que el decualquier ser humano. Sin embargo, las prótesis realespara las personas que han sufrido la pérdida de una

ROBÓTICA Y PRÓTESIS INTELIGENTESJesús Manuel Dorador González _____________________________________________________________________Jefe del Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Facultad de Ingeniería [email protected]

Patricia Ríos Murillo, Itzel Flores Luna, Ana Juárez Mendoza ____________________________________________Pasantes en la carrera Ingeniería Mecánica, realizan su tesis en el Centro de Diseño y Manufactura de la Facultadde Ingeniería en el proyecto “Diseño de Prótesis Inteligentes”.

RESUMEN

La sustitución por pérdida de miembros humanos porartefactos distintos a los naturales es una realidaddesde hace más de dos mil años. Con el tiempo losinventos en los campos de la robótica, en particularde la biónica, han proporcionado al ser humano

extremidades complementarias que cada día se per-feccionan. En este artículo, los autores, presentan losdiversos experimentos electromecánicos que han rea-lizado para avanzar en las etapas de su proyecto“Diseño de prótesis Inteligentes” y perfeccionar laconstrucción de una prótesis inteligente de miembrosuperior.

PALABRAS CLAVE

Robots, Prótesis, Actuadores, Mioeléctrico, Materiales inteligentes.

Revista Digital Universitaria. 18 de enero 2004 • Volumen 6 Número 1 • ISSN: 1067-6079http://www.revista.unam.mx/vol.6/num1/art01/int01.htm

extremidad aún no han alcanzado los sueños manifes-tados en dichas series televisivas.

La biónica es, de acuerdo a una definición dada en1960 por Jack Steele, de la U.S. Air Force, el análisis delfuncionamiento real de los sistemas vivos y, una vezdescubiertos sus secretos, materializarlos en los apara-tos. Esta definición nos podría indicar que el primeringeniero biónico fue Leonardo Da Vinci, quien estudiólos principios de funcionamiento de los seres vivos paraaplicarlos en el diseño de máquinas. Dado que las pró-tesis se utilizan para sustituir la extremidad perdida deuna persona, los principios de funcionamiento que sedeben estudiar para reproducirlos son precisamente losque tiene dicha extremidad, por lo que el diseño deprótesis es inherentemente una actividad de la inge-niería biónica.

Existen varias configuraciones de robots, de acuerdo altipo de movimientos que pueden realizar. Los robotspueden ser “cartesianos”, es decir que se mueven enlínea recta y su volumen de trabajo es un prisma rec-tangular, los robots “cilíndricos” que se utilizan princi-palmente para ensamble y su volumen de trabajo esun cilindro. Los robots “esféricos” tienen un volumen detrabajo en forma de una sección una esfera. Los robotsindustriales más atractivos y que más seconocen son los que simulan los movi-mientos de un brazo humano, por loque se les conoce como “brazos articu-lados”, y sus aplicaciones son muyamplias debido a la facilidad que tie-nen para realizar movimientos compli-cados.

Las diversas configuraciones de losrobots se pueden ver en la página dela International Federation ofRobotics.

El brazo mecánico constituye la partefísica que vemos del robot, es decir, elconjunto de mecanismos y motoresque forman el brazo. El brazo está con-trolado por medio de una computadora que muevecada una de las articulaciones para llevar la mano delrobot a los lugares deseados. El robot cuenta con sen-sores que le indican a la computadora el estado delbrazo mecánico, de manera que estas señales le indi-can la posición de las articulaciones. La unidad depotencia externa suministra de energía a los actuado-res del robot. El órgano terminal es la herramienta quese fija al brazo para desarrollar una tarea específica

El trasladar un manipulador industrial al uso directo poruna persona para sustituir un miembro que le ha sidoamputado no es sencillo. Aunque los principios de fun-cionamiento sean muy parecidos, hay que consideraraspectos adicionales, tales como el peso, el suministrode energía y la apariencia.

RESEÑA HISTÓRICA DE LAS PRÓTESIS

El avance en el diseño las de prótesis ha estado ligadodirectamente con el avance en el manejo de los mate-riales empleados por el hombre, así como el desarrollotecnológico y el entendimiento de la biomecánica delcuerpo humano.

Una prótesis es un elemento desarrollado con el fin demejorar o reemplazar una función, una parte o unmiembro completo del cuerpo humano afectado, porlo tanto, una prótesis para el paciente y en particularpara el amputado, también colabora con el desarrollopsicológico del mismo, creando una percepción detotalidad al recobrar movilidad y aspecto.

La primera prótesis de miembro superior registradadata del año 2000 a.C., fue encontrada en unamomia egipcia; la prótesis estaba sujeta al antebrazopor medio de un cartucho adaptado al mismo.

Con el manejo del hierro, el hombrepudo construir manos mas resistentesy que pudieran ser empleadas paraportar objetos pesados, tal es el casodel general romano Marcus Sergius,que durante la Segunda GuerraPúnica (218-202 a. C.) fabricó unamano de hierro para él, con la cualportaba su espada, ésta es la primeramano de hierro registrada.

En la búsqueda de mejoras en el añode 1400 se fabricó la mano de alt-Ruppin construida también en hierro,constaba de un pulgar rígido en oposi-ción y dedos flexibles, los cuales eran

flexionados pasivamente, éstos se podían fijar median-te un mecanismo de trinquete y además tenía unamuñeca movible. El empleo del hierro para la fabrica-ción de manos era tan recurrente, que hasta Goethe danombre a una de sus obras inspirado en el caballerogermano Götz von Berlichingen, por su mano de hierro.

No es sino hasta el siglo XVI, que el diseño del mecanis-mo de las prótesis de miembro superior se ve mejorado 51


Figura 1. Mano de alt-Ruppin construidacon hierro en el año 1400

considerablemente,gracias al medicomilitar francésAmbroise Paré, quiendesarrolló el primerbrazo artificial móvilal nivel de codo, lla-mado “Le petitLoraine” el mecanis-mo era relativamen-

te sencillo tomando en cuenta la época, los dedospodían abrirse o cerrarse presionando o traccionando,además de que constaba de una palanca, por mediode la cual, el brazo podía realizar la flexión o extensióna nivel de codo. Esta prótesis fue realizada para undesarticulado de codo. Paré también lanzó la primeramano estética de cuero, con lo que da un nuevo giroa la utilización de materiales para el diseño de próte-sis de miembro superior.

En el siglo XIX se emplean el cuero, los polímeros natu-rales y la madera en la fabricación de prótesis; losresortes contribuyen también al desarrollo de nuevosmecanismos para la fabricación de elementos detransmisión de la fuerza, para la sujeción, entre lasinnovaciones más importantes al diseño de las prótesisde miembro superior, se encuentra la del alemánPeter Beil. El diseño de la mano cumple con el cierre yla apertura de los dedos pero, es controlada por losmovimientos del tronco y hombro contra lateral,dando origen a las prótesis autopropulsadas. Más tardeel Conde Beafort da a conocer un brazo con flexión delcodo activado al presionar una palanca contra el tórax,aprovechando también el hombro contra lateral comofuente de energía para los movimientos activos delcodo y la mano. La mano constaba de un pulgar móvilutilizando un gancho dividido sagitalmente, parecidoa los actuales ganchos Hook.

DISEÑO DE PRÓTESIS EN EL SIGLO XX

Para el siglo XX, el objetivo de que los amputadosregresaran a su vida laboral, es alcanzado gracias a losesfuerzos del médico francés Gripoulleau, quien reali-zó diferentes accesorios que podían se usados comounidad terminal, tales como anillos, ganchos y diversosinstrumentos metálicos, que brindaban la capacidadde realizar trabajo de fuerza o de precisión.

En el año de 1912 Dorrance en Estados Unidos desarro-lló el Hook, que es una unidad terminal que permiteabrir activamente, mediante movimientos de la cintu-ra escapular, además se cierra pasivamente por laacción de un tirante de goma. Casi al mismo tiempofue desarrollado en Alemania el gancho Fischer cuyaventaja principal era que poseía una mayor potencia ydiversidad en los tipos de prensión y sujeción de losobjetos.

El origen de las prótesis activadas por los músculos delmuñón se da en Alemania gracias a Sauerbruch, elcual logra idear como conectar la musculatura flexoradel antebrazo con el mecanismo de la mano artificial,mediante varillas de marfil que hacía pasar a travésde túneles cutáneos, haciendo posible que la prótesisse moviera de forma activa debido a la contracciónmuscular.

Es hasta 1946 cuando se crean sistemas de propulsiónasistida, dando origen a las prótesis neumáticas y eléc-tricas. Un sistema de propulsión asistida es aquel en elque el movimiento es activado por algún agente exter-no al cuerpo.

Las prótesis con mando mioeléctrico comienzan a sur-gir en el año de 1960 en Rusia. Esta opción protésicafunciona con pequeños potenciales extraídos durantela contracción de las masas musculares del muñón,siendo estos conducidos y amplificados para obtener elmovimiento de la misma. En sus inicios, este tipo deprótesis solo era colocada para amputados de antebra-zo, logrando una fuerza prensora de dos kilos.

Actualmente las funciones de las prótesis de manoestán limitadas al cierre y apertura de la pinza, la dife-rencia entre éstas radican en el tipo de control queemplean, pero todas realizan básicamente las mismasactividades.

Entre los países con mayor avance tecnológico e inves-tigación sobre prótesis, se encuentran Alemania,Estados Unidos, Francia, Inglaterra y Japón.52


Figura 2. Primer brazo artificial móvil

Figura 3. Prótesis de mano con pulgar móvil y gancho dividido sagitalmente

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INVESTIGACIONES Y DESARROLLO RECIENTES EN DISEÑODE MANOS

La mano realiza principalmente dos funciones; la pren-sión y el tacto, las cuales permiten al hombre convertirideas en formas, la mano otorga además expresión alas palabras, tal es el caso del escultor o el sordomudo.El sentido del tacto desarrolla totalmente la capacidadde la mano, sin éste nos sería imposible medir la fuer-za prensora. Es importante mencionar que el dedo pul-gar representa el miembro más importante de lamano, sin éste la capacidad de la mano se reducehasta en un 40 por ciento.

Los principales tipos de prensión de la mano son desuma importancia, ya que la prótesis deberá ser dise-ñada para cumplirlos. A continuación se muestran cua-tro formas básicas de prensión de la mano, que com-binadas cumplen con todos los movimientos realizadospor ésta, los cuales son: prensión en pinza fina con lapunta de los dedos, prensión en puño, gruesa o ensuperficie, prensión en gancho y prensión en llave.

La mano de Canterbury [Dunlop, 2003] utiliza eslabo-nes mecánicos movidos directamente para actuar losdedos en forma similar a la mano humana. El movi-miento directo de los eslabones se utiliza para reducirlos problemas que presentan otros diseños de manos.Cada dedo de esta mano tiene 2.25 grados de liber-tad, la parte fraccionaria se debe al mecanismo paraextender los dedos que es compartido por cuatrodedos. Los motores de corriente directa tienen una

reducción por engranes 16:1, su tamaño es de 65 mmde largo y 12 mm. de diámetro.

Los dedos cuentan con sensores de presión en cadaarticulación y en la punta de los dedos, lo que haceque cada dedo tenga cuatro sensores de presión, dosmotores de corriente directa, dos encoders y un sensorde efecto Hall. El pulgar tiene solo un motor y tres sen-sores de fuerza, mientras que la palma tiene las funcio-nes de abrir todos los dedos y la rotación del pulgar, locual implica dos motores, dos encoders, dos sensoresde efecto Hall y tres sensores de fuerza. Todo esto daun total de 91 cables, por lo que se requirió un sistemade control distribuido utilizando un PsoC deSemiconductores Cypress. Este microprocesadoractualmente solo es capaz de controlar la posición yvelocidad, mientras que la cinemática y comandoscomplejos se calculan en una computadora.

El manipulador desarrollado en la Universidad deReading, Inglaterra [Harris, Kyberd, 2003] propone eluso de cables Bowden (chicotes) dirigidos a cadaunión como el medio para actuar los dos dedos de losque consta. Este diseño simplifica el control de la manoal eliminar el acoplamiento entre juntas y permite latraslación directa y precisa entre las juntas y los moto-res que mueven los cables. La cinemática de los dedosse simula con mayor precisión al permitir dos grados delibertad con el mismo centro de rotación en el nudillomás grande de la mano. Esta mano incluye sensoresen las yemas de los dedos para incrementar la preci-sión en la sujeción.

El manipulador antropomórfico teleoperado (MAT)diseñado en el departamento de ingeniería mecatró-nica de la Facultad de Ingeniería de la U.N.A.M. cuen-ta con trece grados de libertad, de los cuales cuatroestán en el pulgar y tres en cada uno de sus otros tresdedos. Esta mano fue diseñada específicamente para

Figura 4. Formas básicas de prensión de la mano

Figura 5. Mano de Canterbury que utiliza eslabones mecánicos movidosdirectamente

Figura 6. Manipulador construido en la Universidad de Reading

teleoperación, pero los principios utilizados se puedenextender al diseño de prótesis. La actuación de cadauno de los grados de libertad se realiza por medio deque funcionan como tendones, conectados a servomo-tores que no están montados sobre la mano, sino enun banco de actuadores. Para la instrumentación deeste manipulador se utilizó un control PID.

SISTEMAS PROTÉSICOS

Toda prótesis artificial activa necesita una fuente deenergía de donde tomar su fuerza; un sistema de trans-misión de esta fuerza; un sistema de mando o accióny un dispositivo prensor. En la elección de las prótesis autilizar desempeña un papel trascendental el nivel deamputación o el tipo de displasia de que se trate.

Prótesis Mecánicas

Las manos mecánicas son dispositivos que se utilizancon la función de apertura o cierre voluntario por mediode un arnés el cual se sujeta alrededor de los hombros,parte del pecho y parte del brazo controlado por el usua-rio. Su funcionamiento se basa en la extensión de unaliga por medio del arnés para su apertura o cierre, y elcierre o apertura se efectúa solo con la relajación del

músculo respectivamente gracias a un resorte y teneruna fuerza de presión ó pellizco. Estos elementos serecubren con un guante para dar una apariencia másestética, sin embargo se limita al agarre de objetos rela-tivamente grandes y redondos ya que el guante estorbaal querer sujetar objetos pequeños.

El tamaño de la prótesis y el número de ligas que serequiera dependiendo de la fuerza y el material parasu fabricación varían de acuerdo a las necesidades decada persona. Dado que estas prótesis son accionadaspor el cuerpo, es necesario que el usuario posea almenos un movimiento general de: expansión delpecho, depresión y elevación del hombro, abducción yaducción escapular y flexión glenohumeral.

Prótesis Eléctricas

Estas prótesis usan motores eléctricos en el dispositivoterminal, muñeca o codo con una batería recargable.Éstas prótesis se controlan de varias formas, ya sea con

un servocontrol, control con botón pulsador o botón coninterruptor de arnés. En ciertas ocasiones se combinanéstas formas para su mejor funcionalidad. Se usa un soc-ket que es un dispositivo intermedio entre la prótesis y elmuñón logrando la suspensión de éste por una succión.Es más costosa su adquisición y reparación, existiendootras desventajas evidentes como son el cuidado a laexposición de un medio húmedo y el peso de la prótesis.

Prótesis neumáticas

Estas prótesis eran accionadas por ácido carbónico com-primido, que proporcionaba una gran cantidad de ener-gía, aunque también presentaba como inconvenientela complicación de sus aparatos accesorios y del riesgodel uso del ácido carbónico. 54


Figura 7. Manipulador antropomórfico teleoperado

Figura 8. Elementos constitutivos de una prótesis mecánica

Figura 8. Elementos constitutivos de una prótesis mecánica

Prótesis mioeléctricas

Las prótesis mioeléctricas son prótesis eléctricas controla-das por medio de un poder externo mioeléctrico, estasprótesis son hoy en día el tipo de miembro artificial conmás alto grado de rehabilitación. Sintetizan el mejoraspecto estético, tienen gran fuerza y velocidad de pren-sión, así como muchas posibilidades de combinación yampliación. Figura 9. Configuración básica de una pró-tesis mioeléctrica El control mioeléctrico es probable-mente el esquema de control más popular. Se basa enel concepto de que siempre que un músculo en el cuer-po se contrae o se flexiona, se produce una pequeñaseñal eléctrica (EMG) que es creada por la interacciónquímica en el cuerpo. Esta señal es muy pequeña (5 a20 ?V) Un micro-voltio es una millonésima parte de unvoltio. Para poner esto en perspectiva, una bombillaeléctrica típica usa 110 a 120 voltios, de forma que estaseñal es un millón de veces más pequeña que la elec-tricidad requerida para alimentar una bombilla eléctrica

El uso de sensores llamados electrodos que entran encontacto con la superficie de la piel permite registrar laseñal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplificay es procesada después por un controlador que conmu-ta los motores encendiéndolos y apagándolos en lamano, la muñeca o el codo para producir movimien-to y funcionalidad.

Éste tipo de prótesis tiene la ventaja de que sólo requie-ren que el usuario flexione sus músculos para operarla, adiferencia de las prótesis accionadas por el cuerpo querequieren el movimiento general del cuerpo. Una próte-sis controlada en forma mioeléctrica también elimina elarnés de suspensión usando una de las dos siguientes téc-nicas de suspensión: bloqueo de tejidos blandos-esquele-to o succión1. Tienen como desventaja que usan un siste-ma de batería que requiere mantenimiento para surecarga, descarga, desecharla y reemplazarla eventual-mente. Debido al peso del sistema de batería y de losmotores eléctricos, las prótesis accionadas por electricidadtienden a ser más pesadas que otras opciones protésicas.Una prótesis accionada por electricidad proporciona unmayor nivel de tecnología, pero a un mayor costo.

Prótesis Híbridas

Una prótesis híbrida combina la acción del cuerpo conel accionamiento por electricidad en una sola prótesis.En su gran mayoría, las prótesis híbridas sirven paraindividuos que tienen amputaciones o deficienciastranshumerales (arriba del codo) Las prótesis híbridasutilizan con frecuencia un codo accionado por el cuer-po y un dispositivo terminal controlado en forma mio-eléctrica (gancho o mano).

En la siguiente liga se puede ver una mano transcarpia-na de útima generación:

http://www.ottobock.com.mx/td_2_1_3_1.htm

Uso de materiales “inteligentes” en las prótesis

Hoy en día, el término “inteligente” se ha adoptadocomo un modo válido de calificar y describir una clasede materiales que presentan la capacidad de cambiarsus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma,color, etc.) en presencia de un estímulo concreto.

Para controlar la respuesta de una forma predetermi-nada presentan mecanismos de control y selección dela respuesta. El tiempo de respuesta es corto. El sistemacomienza a regresar a su estado original tan prontocomo el estímulo cesa.

Dentro de las aleaciones con memoria de forma(SMA), se encuentran los llamados alambres muscula-res, estos son alambres delgados de alta resistenciamecánica, construidos con una aleación de Níquel yTitanio llamada comercialmente “Nitinol”.

La adecuada selección de los actuadores durante el dise-ño de una prótesis, es una parte esencial para el éxito deésta. Por tal motivo después de un análisis de las especi-ficaciones de diseño requeridas en una prótesis de miem-bro superior, se observó que los alambres muscularespodrían satisfacer las necesidades de los actuadores.

Se realizó un modelo funcional exclusivamente de lamano, dicha mano fue diseñada tomando como 55


Materiales con memoria de forma Aleaciones con memoria de formaPolímeros con memoria de formaCerámicas con memoria de forma

Aleaciones con memoria de forma, ferromagnéticas Materiales electro y magnetoactivosMateriales electro y magnetoreológicos

Materiales piezoeléctricosMateriales electro y magnetorestrictivos

Materiales foto y cromoactivosFotoactivos

ElectroluminiscentesFluorecentesFosforescenteCromoactivosFotocrómicos

TermocrómicosElectrocrómicos

MATERIALES “INTELIGENTES”

base las medidas de la mano derecha de un hombreadulto, mexicano de estatura promedio. El materialutilizado para su fabricación fue NylamidAutolubricado, debido a su baja densidad, alta resis-tencia y buena maquinabilidad que éste posee. Elmodelo consta de dieciséis piezas en total: la palmade la mano y cinco dedos. Los dedos Índice, medio,anular y meñique se componen de tres piezas (falan-ge proximal, medial y distal), las cuales se encuen-tran unidas a la palma y entre sí por medio de articu-laciones rotacionales. El dedo pulgar consta tambiénde tres eslabones: dos falanges (proximal y distal) yuna pieza que realizará la función del primer meta-carpiano (hueso de la palma de la mano), esto per-mitirá realizar la acción oponente de este dedo. Porsimplicidad de diseño, se decidió sustituir los demásmetacarpianos por una sola pieza: la palma. Lamano se encuentra normalmente abierta medianteresortes de compresión. En la figura 10 se muestranlos huesos y articulaciones de la mano, en la figura11 el modelado en CAD para el modelo de pruebaspropuesto, y en la figura 12 el modelo funcional enel que se realizaron las pruebas.

Principio de funcionamiento de la mano con alambresmusculares

Con el fin de imitar la función de los músculos y tendo-nes que intervienen en el movimiento de flexión de losdedos, se colocaron pequeños tramos de alambresmusculares, amarrados a clavos colocados en cadaarticulación, de manera que al hacer pasar corriente através de ellos, se realizara la contracción, permitiendomover cada segmento, de la misma manera en quese mueven los eslabones en un robot manipulador. ©Coordinación de Publicaciones Digitales. DGSCA-UNAMSe autoriza la reproducción total o parcial de este artí-culo, siempre y cuando se cite la fuente completa y sudirección electrónica.

Para facilitar el control del modelo, se seleccionaronalgunas posiciones predeterminadas de la mano parautilizarlas en el control, dichas posiciones son acciona-das mediante una cierta combinación de pulsos queestimulan a los actuadores de los eslabones involucra-dos. Se utilizó un control tipo “encendido-apagado”,mediante un programa en Visual Basic, el cual presen-ta planos del modelo en seis diferentes posiciones. Elusuario puede accionar los eslabones tanto de mane-ra independiente como conjunta mediante las posi-ciones preestablecidas, al mismo tiempo que observala simulación de el o los movimientos en el programa.También se colocó un tablero con leds que permitevisualizar el correcto funcionamiento del programa,mostrando el o los actuadores que son activados.

Pruebas realizadas en el modelo funcional

Se realizó la programación de los movimientos desea-dos para obtener las posiciones mostradas en la figura13 utilizando un microprocesador PIC que procesaba lasinstrucciones y enviaba las salidas correspondientes a launidad de electrónica de potencia para alimentar a losalambres de Nitinol con la corriente eléctrica necesaria.Dado que no se conocía la cantidad de corriente querequeriría cada alambre, se utilizó una fuente variable.

En el modelo funcional se utilizaron alambres muscu-lares de 375 µm, es decir los de mayor diámetro exis-tentes en el mercado, esto con el fin de obtener elmayor movimiento posible.

Resultados de las pruebas con nitinol

Al hacer funcionar el modelo se observó que el progra-ma funcionaba adecuadamente, ya que se podía obser-var el encendido intermitente del conjunto de leds corres-pondientes al movimiento o posición en cuestión. Apesar que el programa funcionaba adecuadamentemandando los pulsos a cada actuador, éstos no conseguí-

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Figura 10. Huesos y articulaciones Figura 11. Modelo CAD Figura Figura 12. Modelo funcional

an ni siquiera el mínimo movimiento de los eslabones.

La cantidad consumida de corriente se acercaba a 1Ampere por cada eslabón, así que si se requieremover un solo dedo, esto equivaldría a un consumo

de corriente casi a 3 Amperes. El alambre muscular secalentaba tanto que adquiría un color rojo vivo y que-maba la superficie del material. Este calentamientoocurría casi inmediatamente que era mandado elpulso al actuador.© Coordinación de PublicacionesDigitales. DGSCA-UNAM Se autoriza la reproduccióntotal o parcial de este artículo, siempre y cuando secite la fuente completa y su dirección electrónica.

Proyectos de diseño de prótesis inteligentes en la F. I. UNAM

En el Centro de Diseño y Manufactura de la Facultad deIngeniería se está llevando a cabo un proyecto cuyo finúltimo es el de desarrollar una prótesis inteligente demiembro superior. En la primera etapa se diseñó un mani-pulador con dimensiones y peso similares a las de unaprótesis de antebrazo el cual tuvo como objetivo realizarel movimiento de prono-supinación de codo, teniendocomo prioridad la precisión y no la fuerza en la prensión.

A la par se diseñó una mano articulada en la cual serealizaron experimentos con alambres musculares,construidos de una aleación de Níquel y Titanio llama-da “Nitinol”, para realizar los movimientos y con estolograr la aplicación en el diseño de prótesis.


Figura 13. Programación de movimientos deseados

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Actualmente se está desarrollando un brazo manipula-dor con características similares a las de una prótesis,en las cuales los movimientos serán realizados pormedio de servomotores como actuadores, tanto paralos movimientos de la muñeca como para los cuatrodedos independientes de los que constará. Las señalesde control se darán por medio de señales mioeléctricasy por medio de voz. Las señales serán procesadas enun microprocesador para realizar los movimientos delos actuadores correspondientes.

Para la segunda etapa se pretende diseñar y construiruna prótesis de precisión en la prensión, utilizandopara ello material con memoria de forma como actua-dores. Para la experimentación se emplearán los polí-meros electroactivos (PEA), donde se tratará de aprove-char la baja densidad y buenas propiedades electro-mecánicas que presenta este tipo de material.

Para el tercer año de desarrollo del proyecto se esperaobtener el diseño de una prótesis de miembro superioractuada por medio de señales mioeléctricas y de voz,capaz de autoprogramarse para realizar actividadestanto de precisión como de fuerza. Esta prótesis serácapaz de realizar las acciones de una prótesis mioeléc-trica comercial, además de contar con movimientosseparados en cuatro dedos, con lo cual tendrá unacapacidad de actividades de precisión mayor. El socketcon el cual se inserta la prótesis al muñón será autoa-justable para adaptarse a los cambios de dimensiónque con el cambio del tiempo sufre el muñón.©Coordinación de Publicaciones Digitales. DGSCA-UNAMSe autoriza la reproducción total o parcial de este artí-culo, siempre y cuando se cite la fuente completa y sudirección electrónica.

CONCLUSIONES

Hay que recordar que al diseñar prótesis exitosa, se tie-nen varias especificaciones a cumplir, al necesitarpotencias tan altas, y no tener la posibilidad de conse-guir una fuente portátil que nos proporcione la poten-cia requerida y que además sea de bajo peso, tama-ño y costo, nos encontramos ante el principal proble-ma del uso de las aleaciones con memoria de forma,para esta aplicación en particular.

Los alambres musculares necesitan ser más estudiadosy desarrollados para mejorar su funcionamiento engeneral, y de esta manera poder ser utilizados exitosa-mente en una prótesis de miembro superior. No sepueden despreciar las grandes ventajas que en gene-ral los materiales con memoria de forma posee, por tal

motivo es necesario experimentar no solo con losalambres musculares de nitinol, si no con los otros tiposde materiales de memoria de forma existentes. En unfuturo, con el adecuado control y corriente requerida,estos materiales podrían ser los más utilizados en lasprótesis, resolviendo así el problema actual de losactuadores y como consecuencia mejorar la funciona-lidad y estética de las prótesis de miembro superior.

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo se desarrolló en el marco de los proyectosPAPIIT IN104502 y PAPIIT IX106204, patrocinados por laDirección General de Asuntos del Personal Académicode la UNAM.© Coordinación de Publicaciones Digitales.DGSCA-UNAM Se autoriza la reproducción total o parcialde este artículo, siempre y cuando se cite la fuentecompleta y su dirección electrónica.

BIBLIOGRAFÍA

Dunlop, G.R. “A distributed controller for the Canterburyhand”, ICOM2003. International Conference onMechatronics. Professional Engineering Publishing,London, UK, 2003.

Flores, Juárez, Castillo, Dorador. 2004. Actualidad y ten-dencias en el diseño de prótesis de miembro superior.Memorias del X Congreso Anual de la SociedadMexicana de Ingeniería Mecánica, Querétaro, México.

Gilbertson R. 2000. “Muscle Wires: Project Book”, 3ªedición, Ed. Mondo Tronics, California.

Harris, M., P. Kyberd “Design and development of adextrous manipulator”, ICOM2003. InternationalConference on Mechatronics. Professional EngineeringPublishing, London, UK, 2003.

Kutz. 2003. “Standard Handbook of BiomedicalEngineering and Design”, McGraw-Hill, New York.

Ríos, Louth, Dorador. 2004. Uso de materiales conmemoria de forma para actuar los dedos de una pró-tesis de miembro superior. Memorias del X CongresoAnual de la Sociedad Mexicana de IngenieríaMecánica, Querétaro, México.

Trebes, Wolff, Röttege Groth. 1973. “Prótesis delMiembro Superior. Entrenamiento fisioterápico delamputado”. Ediciones Toray, S.A. Barcelona. pp. 1- 40.

Viladot Perice. “Órtesis y Prótesis del AparatoLocomotor”. (Completar bibliografía)

Vitali, Robinson, Andrews, Harris “Amputaciones yPrótesis”. Ed. JIMS.

1. INTRODUCCIÓN

Este informe técnico presenta un estado del arteen robots humanoides basado en las conferen-cias realizadas en la 5th International UJI RoboticsSchool (IURS’2005) on Robotics and Neurosciencepor los profesores:

Melvyn A. Goodale, Paolo Dario, Luciano Fadiga,Joseph McIntyre, Andrew H. Fagg, Luc Berthouze,Roland Johansson, Maria Chiara Carrozza, YiannisDemiris y Jose Carmena. Algunos de los temasdestacados son: interfaces cerebro-máquina, exo-esqueletos y prótesis en estudios neuro-robóticos,manipulación, localización de la visión y el movi-miento en el cerebro y modelos para la compren-sión de funciones humanas, como el desarrollohumano-motor y el discurso hablado.

2. FUSIÓN DE LA NEUROCIENCIA Y LA ROBÓTICA1

La neurociencia y la robótica han encontrado unalínea de colaboración mutua. La comunidad decientíficos que se dedican a la robótica puede

implementar los modelos de neurociencia en nue-vas plataformas de sistemas híbridos biónicos (HBS),mientras que la comunidad de neurocientíficospuede utilizar las tecnologías robóticas para vali-dar los modelos de neurociencia.

Un posible esquema del procedimiento a seguirpor las líneas de investigación en neuro-robóticaes el que se muestra en la Figura 2.1. En princi-pio, se observa y estudia un sistema biológicopara definir un modelo computacional de éste.Dicho modelo es simulado o implementado físi-camente en un robot, para luego compararlocon el sistema biológico real por medio de testsexperimentales, que permiten perfeccionar elmodelo propuesto.

Además, a partir de dichos modelos computacio-nales se pueden generar plataformas de sistemashíbridos biónicos (HBS) que son aplicados en:

• Tele-operación, donde se utilizan instrumentosrobóticos para exploraciones en medios remo-tos o difíciles de acceder, como por ejemplo, la

59


Neuro-RobóticaZoe Falomir Llansola________________________________________________________________________________Departamento de Ingeniería y Ciencia de ComputadoresCorreo electrónico: [email protected] Jaume I, Campus de Riu Sec12.071 - CASTELLÓN

RESUMEN

Este informe técnico presenta un estado del arteen neuro-robótica basado en las opiniones dadaspor importantes investigadores europeos en lasconferencias realizadas en la 5th International UJIRobotics School (IURS”2005) on Robotics and

Neuroscience. Algunos de los temas destacadosson: interfaces cerebro-máquina, exoesqueletos yprótesis en estudios neuro-robóticos, manipula-ción, localización de la visión y el movimiento enel cerebro y modelos para la comprensión de fun-ciones humanas, como el desarrollo humano-motor y el discurso hablado.

PALABRAS CLAVE

Robótica, neurociencia, exoesqueletos, visión, manipulación, interfaces cerebro-máquina.

1 Prof. Paolo Dario, Advanced Robotics Technology and Systems Laboratory, Scuola Superiore Sant’Anna,dario@ arts.sssup.it,http://www-arts.sssup.it/people/prof/pdario/pdario.htm

exploración intestinal mediante cápsulasendoscópicas tele-operadas (Figura 2.2. (a)).

• Ortesis, dónde se puede utilizar un esqueletointeligente para mejorar la precisión, resistenciay fuerza del brazo humano y de los movimien-tos de la mano (Figura 2.2. (b)).

• Prótesis, dónde se puede utilizar una sistema debrazo/mano antropomórfica para la sustitucióno la adición de miembros (Figura 2.2. (c)).

Finalmente, las principales líneas de futuro enNeuro-Robótica que define Paolo Dario son:

• Entender el cerebro humano por medio de laimplementación de modelos artificiales en pla-taformas robóticas.

• Crear nuevos modelos de percepción, aprendiza-je, control, etc. inspirados en el comportamiento

humano y que se puedan integrar en dichasplataformas robóticas.

• Crear nuevas interfaces humano/robot inteligentes.

3. INTERFACES CEREBRO-MÁQUINA2

Las interfaces cerebro-máquina presentan dos obje-tivos principales. Por un lado, estudiar el controlmotor, el aprendizaje y la adaptación en el cerebro(Sistemas de Neurociencia); y por otro, desarrollarneuroprótesis para reestablecer la función motoraen los minusválidos (Ingeniería Neural).

Las interfaces cerebro-máquina que persiguen elsegundo objetivo, pretenden conseguir que unser humano pueda percibir información sensorialy representar intenciones motoras voluntarias através de una interfaz directa entre su cerebro yun actuador artificial de la misma manera quelos humanos ven, caminan o cogen un objetocon la mano. Para conseguir un fuerte acopla-miento entre las intenciones del usuario y lasacciones de la máquina, se debe llevar a caboun entrenamiento con alguna combinación defeedback visual, táctil o auditivo.

Como podemos ver en la Figura 3.1, como resul-tado de la utilización de la interfaz cerebro-máquina, el cerebro se adaptaría al actuador arti-ficial incorporando su dinámica y propiedades físi-cas en una representación somatosensorial.

Según el tipo de aproximación utilizada, las inter-faces cerebro-máquina se pueden clasificar en:

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Figura 2.1. Procedimiento de investigación en neuro-robótica.

Figura 2.2. Procedimiento de investigación en euro-robótica

2 Prof. José Carmena, Assistant Professor, Dept. of Electrical Engineering & Computer Sciences, Helen W ills Neuroscience Institute, University ofCalifornia, Berkeley, carmena@ eecs.berkeley.edu, http://www.eecs.berkeley.edu/~carmena

• No invasivas:

– Electroencefalograma (EEG), que busca lasseñales eléctricas procedentes del cerebro, lascuales son grabadas en el cuero cabelludopor varios electrodos (de 16 a 256). Este méto-do se ha utilizado en estudios para controlar elcursor de un ratón o una silla de ruedas.

– Tomografía por emisión de positrones (PET),resonancia magnética funcional (fMRI), ence-falografía magnética (MEG), que son muycaras y no portables.

• Invasivas:

– Arrays crónicos de microelectrodos, que se ins-talan en la corteza cerebral para captar loscampos de potencia locales que emiten lasseñales del cerebro.

Además, según el tipo de flujo de información quemanejan, las interfaces cerebro-máquina también

se pueden clasificar en codificables (prótesis senso-riales, que recogen información) y decodificables(prótesis motoras, que realizan acciones comocontrolar un cursor, realizar agarres, etc.).

Como resultados más relevantes, podemos des-tacar que, en los estudios de [W olpaw et al.,2004a, 2004b]3 personas humanas han conse-guido controlar un cursor mediante una interfazcerebro-máquina, la BCI2000, basada en electro-encefalogramas (EEG). A través de un gorro deelectrodos, se graban las ondas cerebrales delcuero cabelludo. Este gorro se encuentra conecta-do a un ordenador personal, dónde se incluye unprograma que puede analizar el electroencefalo-grama (EEG) del paciente (una grabación del vol-taje de la cabeza generado por las corrienteseléctricas que emiten las células nerviosas en elcerebro). Para seleccionar una onda cerebral conel fin de aprender cómo usar el sistema, el usua-rio debe imaginar una actividad (mover unamano, un pie, etc.). El ordenador selecciona laonda cerebral que el paciente controla mejor y laenlaza al movimiento de un cursor en la pantalladel ordenador. El paciente gradualmente apren-de a controlar la amplitud de esa onda cerebralen particular para controlar el movimiento delcursor (Figura 3.4.).

En los estudios de [Millan et al., 2003] personashumanas han conseguido controlar una silla deruedas con movimientos del tipo —avanzar“, —girar a la derecha“ y —girar a la izquierda“. Lainterfaz cerebro-máquina analiza las órdenes delelectroencefalograma (EEG) del usuario y lasenvía a la silla de ruedas, vía wireless.

Una de las principales líneas de futuro del traba-jo de [Millan et al., 2003] es ampliar el tipo de

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Figura 3.1. Diseño esquemático de una interfaz cerebro-máquina.

Figura 3.2. Gorros de electrodos utilizados en la EEG.

Figura 3.3. Arrays de microlectrodos.

3 http://www.nibib.nih.gov/EnEspanol/eAvances/21Oct04

movimientos que puede detectar la interfaz cere-bro-máquina.

En los estudios de [Carmena et al., 2003] se haconseguido que dos primates aprendan a alcan-zar y agarrar objetos visuales (que aparecen enuna pantalla de ordenador y se parecen a su pro-pia comida) controlando un brazo manipuladorrobótico a través de una interfaz cerebro-máqui-na. Dicha interfaz utiliza arrays de multielectrodospara captar los campos de potencia local queemiten las señales de la parte frontal cerebro y,por medio de múltiples modelos matemáticos,extrae de dichas señales, los parámetros motoresnecesarios para el funcionamiento del manipula-dor (como por ejemplo, posición de la mano,velocidad, fuerza de agarre, etc.) (Figura 3.5).

Una de las líneas de trabajo futuro del trabajode [Carmena et al., 2003] consiste en replicar elexperimento descrito en humanos, con la consi-guiente dificultad de encontrar un usuario que

desee implantarse un array de multielectrodos enel cerebro de forma crónica. Además, tambiénpretenden introducir un feedback somatosenso-rial, de forma que no sólo el humano/primatepueda transmitir información a la interfaz cere-bro-máquina, sino que ésta pueda transmitirle alhumano/primate información sobre su objetivo,como por ejemplo la posición de su comida.Finalmente, otra línea de futuro consistiría enintegrar señales procedentes del cerebro conseñales artificiales para mejorar la precisión delmanejo del brazo manipulador.

4. EXOESQUELETOS Y PRÓTESIS EN ESTUDIOS NEURO-ROBÓTICOS

4.1. Exoesqueletos en Neuro-Robótica4

—Un exoesqueleto es una estructura exterior ydura, como el caparazón de un insecto o un crus-táceo, que proporciona protección o soporte a unorganismo“ (The American Heritage Dictionary ofthe English Language).

En la literatura robótica se pueden encontrardiversos desarrollos de exoesqueletos. En[Cavallaro et al, 2005], Universidad deWashington, se estudia la integración de unbrazo humano con una articulación motorizadacontrolada por una persona humana de formanatural (Figura 4.1.1(a)). En [Kiguchi et al.,2005], Saga University, se presenta un exosquele-to para asistir a las extremidades humanas supe-riores en la rehabilitación diaria: flexión/extensióndel hombro, codo, etc. (Figura 4.1.1(b)). En[Darwin et al., 2003], Universidad de Salford, sepresenta un exosqueleto para reducir la carga delas tareas requeridas en tratamientos psicotera-péuticos para la rehabilitación de pacientes(Figura 4.1.1(c)). En [Kobayashi et al., 2003],Universidad de Tokio, se proporciona soportemuscular tanto para trabajadores manuales,como para aquellas personas que son incapacesde moverse sin ayuda (Figura 4.1.1(d)). En[Kazerooni, 1993], Universidad de California enBerkeley, se presenta un extendedor hidráulicoque determina las reglas para el control de un sis-tema robótico cargado por humanos, especifi-cando la relación entre la fuerza humana y lafuerza de carga (Figura 4.1.1(e)). En [Rocon etal., 2005], Instituto de Automática Industrial-CSIC,se presenta WOTAS, un exoesqueleto activo para

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Figura 3.5. Esquema del experimento realizado por [Carmena et al.,2003].

Figura 3.4. Interfaz utilizada en la comunicación cerebro-máquina parael manejo del cursor de la pantalla.

4 Prof. Maria Chiara Carrozza, Scuola Superiore Sant‘Anna de Pisa, Italia, chiara@ arts.sssup.it.

las extremidades superiores de las personas,basado en tecnologías robóticas capaces deaplicar fuerzas para cancelar el temblor dedichas extremidades (Figura 4.1.1(f)). En [Sasakiet al., 2005], Universidad de Okayama, se pre-senta ASSIST, un soporte activo conducido poractuadores neumáticos ligeros para asistir almovimiento de doblar la muñeca (Figura4.1.1(g)). En [Marcheschi et al., 2005] se presen-ta PERCRO Light Exoskeleton (LEXOS), un brazoexoesqueleto con cuatro grados de libertadpara la retroalimentación de fuerza en el brazohumano (Figura 4.1.1(h)). En [Chu et al., 2005],se presenta BLEEX, un exoesqueleto para lasextremidades inferiores de los humanos, el cualpuede ayudar a los soldados, bomberos, perso-nal de rescate u otro personal de emergencias acargar con mayor peso del que pueden trans-portar de forma natural (Figura 4.1.1(i)).

Además, Maria Chiara Carrozza y su grupo estándesarrollando NeuroExos, un exoesqueleto dise-ñado para ayudar al brazo humano a agarrar unobjeto que se mueve en 2D, es decir, el objeto yel brazo están en el mismo plano. Se supone queel brazo humano es débil y que el exoesqueletodebe medir y encontrar la impedancia más ade-cuada para mejorar la fuerza y la ejecución delmovimiento a llevar a cabo. Sus objetivos princi-pales no son puramente tecnológicos ni orienta-dos a la aplicación práctica inmediata, sino quese pretende:

• Investigar cómo los humanos pueden controlarun sistema robótico a través de una interfaz noinvasiva y un simple y rápido decodificador deintenciones.

• Investigar cómo se puede acoplar un manipu-lador externo al brazo humano (manipulador

63


(a) (b) (c)

(g) (h) (i)

(d) (e) (f)

Figura 4.1.1. Imágenes de exosqueletos en la literatura.

interno) por monitorización de la interfazmecánica entre ellos.

• Controlar el actuador externo artificial en parale-lo con el sistema musculoesquelético humano.

El experimento que se ha llevado a cabo es elsiguiente. A partir de la posición de partida mos-trada en la Figura 4.1.2, una persona humanasentada a la mesa tiene que agarrar un cilindroque se mueve a distintas velocidades en una soladirección a lo largo de dicha mesa y pararlo. Elmovimiento del brazo está en el mismo planoque la mesa y el cilindro. Los sensores colocadosa lo largo de la superficie del brazo humanoregistran las señales que emiten los músculos(EMG) y obtienen la información de movimientodel brazo, que luego es transformada en un

modelo cinemático inverso que es aplicado alsimulador de la Figura 4.1.3.(a), donde se com-para el movimiento simulado con el real. A partirde dicha simulación, como línea de futuro, sepretende construir un brazo robótico bioinspirado(Figura 4.1.3. (b)) que permitirá:

• Imitar el brazo humano en aspectos como: pará-metros físicos (rangos de movimiento, masa,inercia, rigidez, etc.), sistema de actuación,impedancia y control de las articulaciones, etc.

• Implementar y verificar los modelos de neuro-ciencia en coordinación visuo-motora, equili-brio de la teoría de puntos, etc.

• Medir las fuerzas de reacción proporcionadasdesde el exoesqueleto colocado en el brazorobótico.

64


Figura 4.1.2. Experimento de NeuroExos

Figura 4.1.3. Experimento de NeuroExos

4.2. La mano cibernética5

La mayoría de las prótesis de mano actuales sonpasivas, puramente estéticas, que no realizanninguna función para el usuario. Las prótesis acti-vas mioeléctricas (que captan las señales eléctri-cas de los músculos) son las menos utilizadasdebido a su alto coste. Aunque éstas permitenrealizar algunas funciones a su suario, tienen sóloun grado de libertad, no tienen retroalimenta-ción sensorial y no son percibidas por el usuariocomo parte de su cuerpo.

El proyecto EU-FET CIBERHAND, coordinado por elprofesor Paolo Dario, pretende desarrollar unaprótesis cibernética de la mano, que sea contro-lada por el cerebro. El esquema de dicha manose puede observar en la Figura 4.2.1, dóndepodemos ver que se compone de: una interfazcerebro-máquina, un receptor/transmisor de lasseñales enviadas por/a la interfaz y biosensores.

El algoritmo de control de la mano cibernéticaconsiste en obtener las señales que emiten losmúsculos (EMG), mediante electrodos LIFE y sieve,

y utilizarlas como entradas a una máquina deestados finitos, la cual determinará las acciones arealizar. Esta mano también incorpora sensoresde fuerza para realizar tareas como coger ylevantar objetos y, además, la máquina de esta-dos finitos puede ser modificada para controlar lafuerza de agarre, modificando la duración de lacontracción muscular.

Cómo líneas de futuro a corto plazo, destacar quelos investigadores del proyecto están trabajandoactualmente con neuropsicólogos y neurociruja-nos para implantar electrodos LIFE en humanos.Otras líneas de futuro más largo plazo es el trans-plante de la mano cibernética y la introducciónde una interfaz cerebro-máquina más precisa(posiblemente invasiva) para el control de ésta.

4.3. Predicción del movimiento de la mano a partir dela actividad motocortical6

Andrew H. Fagg y su equipo investigan cómocontrolar una prótesis robótica de un brazo utili-zando el nivel de activación de un conjunto deneuronas del cerebro.

65


Figura 4.2.1. Mano cibernética

5 Prof. Paolo Dario, Advanced Robotics Technology and Systems Laboratory, Scuola Superiore Sant’Anna, dario@ arts.sssup.it,http://www-arts.sssup.it/people/prof/pdario/pdario.htm6 Prof. Andrew H. Fagg, Symbiotic Computing Laboratory, School of Computer Science, University of Oklahoma, fagg@ ou.edu, http://www.cs.ou.edu/~fagg/

Su investigación se basa en la observación de losmovimientos naturales del brazo y su correspon-diente actividad neuronal y su objetivo es cons-truir un modelo que prediga el movimiento delbrazo (localización cartesiana, giro de las articula-ciones, etc.) correspondiente a una determinadaactividad neuronal. Dicho modelo se construye apartir de un conjunto de observaciones realizadas(pares de entrada neuronal/salida motora), quea su vez, sirven de conjunto de entrenamiento.Sin embargo, como todos los casos no se encuen-tran reflejados en dicho conjunto de observacio-nes, se determina una función matemática explí-cita que describa todos los casos posibles (comopor ejemplo, una regresión lineal de dichasobservaciones).

Para llevar a la práctica su investigación, han rea-lizado experimentos con monos, colocándoles unexoesqueleto que es capaz de decodificar losmovimientos de su brazo y, además, se han regis-trado las neuronas activadas al realizar dichosmovimientos, determinando una detección simul-tánea de 50 a 100 neuronas.

Como resultados, se comenta que un conjuntode 50-100 neuronas es capaz de predecir movi-mientos del brazo con un grado de aceptaciónbueno, pero como línea de futuro, se establecela mejora de dicha predicción. También, se sugie-re que la información que almacena la cortezamotora primaria del cerebro es información intrín-seca y dinámica, como por ejemplo giro de arti-culaciones, etc. Finalmente, como línea de futu-ro a largo plazo, se establece que las prediccio-nes establecidas por el modelo de la actividadneuronal puedan conducir los movimientos deun brazo robótico.

5. MANIPULACIÓN

5.1.Manipulación de un brazo robot por imitación delmovimiento humano7

Una forma de obtener movimiento flexible yadaptativo en un robot es estudiar cómo loshumanos producen ese tipo de movimiento. Laneurociencia computacional proporciona unaserie de teorías y modelos que pretenden expli-car las características comunes que caracterizan

el movimiento de un brazo humano. Muchosmodelos generan trayectorias por medio de laoptimización de algún aspecto de dicho movi-miento, como la velocidad de la mano o su arti-culación. En [Simmons & Demiris, 2005] se imple-menta el modelo de mínima varianza para pro-ducir movimiento similar al de los humanos enun brazo robótico, concretamente se aplica amovimientos de alcance punto a punto y a otrastrayectorias más complejas.

Debido al creciente interés que han despertadolos mecanismos que dotan a los robots con lacapacidad de imitar acciones humanas, se hanpropuesto varias arquitecturas computacionalespara establecer una correspondencia de la infor-mación visual proporcionada por el demostra-dor(el que realiza la tarea) con las accionesmotoras que deberá realizar el imitador. En[Demiris & Khadhouri, 2006] se propone la arqui-tectura HAMMER (Hierarchical Attentive MultipleModels for Execution and Recognition) para reco-nocer y ejecutar acciones, la cual se basa enjerarquías de modelos futuros (Forward Models) ymodelos inversos (Inverse Models). Como se des-cribe en la Figura 5.1.1, los modelos inversos reci-ben como entrada el estado actual y el objetivoy generan la acción a realizar; mientras que, losmodelos futuros reciben como entrada el estadoactual y la acción a realizar y predicen el estadofuturo. Así pues, combinando dichos modelos,podemos representar cómo un robot podría reco-nocer una acción y cómo podría planificar la suyapropia, imitando a la primera, tal y como sepuede observar en los grafos de la Figura 5.1.2.

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7 Prof. Yiannis Demiris, Intelligent and Interactive Systems Group, Department of Electrical and Electronic Engineering, Imperial College of Science,Technology and Medicine, University of London, y.demiris@ imperial.ac.uk, http://www.iis.ee.ic.ac.uk/yiannis/

Figura 5.1.1. Esquema de los modelos inversos y futuros propuestos.

En el modelo de planificación de la acción(Figura 5.1.2. (a)), a partir de un estado inicial yun objetivo, se generan las acciones requeridaspara alcanzar dicho objetivo y se predicen losestados a los que nos llevarán dichas acciones. Sidicho estado no se alcanza, entonces se envíauna señal correctiva al modelo que genera laacción; mientras que, si se alcanza, se envía unaseñal de confirmación.

Al igual que en el modelo anterior, en el mode-lo de reconocimiento de la acción (Figura 5.1.2.(b)), a partir de un estado inicial del demostrador,se reconocen unos comportamientos que requie-ren unas acciones determinadas que conllevaránuna predicción de los estados siguientes. A partirde dicha predicción se corregirán también lasacciones a realizar.


Figura 5.1.2. Esquema para la realización de acciones de planificación y reconocimiento.

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Estos modelos se han llevado a la práctica pormedio de simulación de robots (Figura 5.1.3).Como resultados principales, se comenta que loscomportamientos obtenidos se mapean correcta-mente si son conocidos, mientras que no ocurrelo mismo con los comportamientos desconocidos.Dichos comportamientos desconocidos o nuevosse pueden aprender aplicando predicciones yajustándolas para que se correspondan con elcomportamiento original.

Como trabajo futuro se presenta la aplicación deeste trabajo a robots humanoides reales.

5.2. Información sensorial táctil en manipulación8

La información que proporcionan los sensores tác-tiles es útil para:

• Controlar la estabilidad del agarre, procurandoque la fuerza de agarre sea adecuada. Si esdemasiado débil, podría provocar una caídadel objeto agarrado, y si es demasiado intensa,podría deformar dicho objeto. Las fuerzas deagarre son adaptadas paramétricamente a laspropiedades mecánicas de los objetos a aga-rrar. Se han realizado estudios sobre algunas deestas propiedades, como el peso [Gordon et al.,1993; Gordon et al., 1991], la distribución demasas [Johansson et al., 1999], la forma-curva-tura [Goodwin et al., 1998], la forma-estrecha-miento [Jenmaln & Johansson, 1997] y la fric-ción [Johansson & W estling, 1984].

• Planificar y controlar el movimiento de la manopara: agarrar objetos con la mano o con losdedos, seleccionar los lugares de agarre, trans-

portar objetos, manejar herramientas, etc. Lamanipulación de objetos se organiza en fasesde acción secuenciales delimitadas por subob-jetivos de la tarea principal. A partir del estadoinicial, se van consiguiendo los subobjetivos apartir de la realización de unos comandosmotores (Mc) determinados. Dichos subobjeti-vos se contrastan con eventos sensoriales tácti-les, visuales y auditivos, y en su caso, se adaptael siguiente comando motor a los cambios quese hayan podido detectar por dichos sensores(por ejemplo, deslizamiento accidental, etc.).Este proceso se repite hasta que se obtiene elobjetivo final (Figura 5.2.1).

Dos tipos de sensores táctiles, los electromagnéti-cos y los electromiográficos, se presentan en laFigura 5.2.2.

Finalmente, las conclusiones principales de la pre-sentación de Johansson son las siguientes:

• La tecnología del tacto y la visión proporcionanel estado inicial de la información para la adap-tación paramétrica de comandos motores parallevar a cabo la próxima acción.

• Los sensores de tacto monitorizan la progresiónde la tarea para obtener los objetivos predi-chos. El desajuste entre los eventos sensorialespredichos y los actuales median el control delas acciones permitiendo la adaptación y elaprendizaje.

• Las señales emitidas por los sensores de tactopueden activar acciones correctivas, como porejemplo, respuestas a un deslizamiento acci-dental, etc.

8 Prof. Roland S. Johansson, Physiology Section, Integrative Medical Biology, Umea University, Sweden.

Figura 5.1.3. Simulación de los modelos de imitación de comportamiento Figura 5.2.1. Manipulación de objetos contando con sensores táctiles,visuales y auditivos.

69


5.3. Localización de sistemas de referencia en el agarrede objetos9

En [McIntyre et al., 1997] se plantea la siguientesituación: cuando un brazo humano pretendealcanzar un objeto, la localización de éste y laposición de la mano deben corresponderse.¿Cómo resuelve el cerebro este problema decorrespondencia? Cuando un objetivo fijo se pre-senta visualmente, su dirección se mapea topo-gráficamente en la retina, mientras que su distan-cia relativa al observador se define tanto porcolas monoculares (localización, tamaño relativo,intensidad, perspectiva, sombreado, etc.) comopor colas binoculares (disparidad retinal y señalesoculares). Los comandos motores que definen lapostura del brazo se determinan respecto a siste-mas de referencia de los músculos, articulacionesy receptores de la piel, mientras que la posiciónfinal de alcance del objetivo podría ser especifica-da por sistemas de referencia centrados en elhombro o en la mano.

Sin embargo, ¿qué ocurre cuando hemos deseñalar un objeto visual basándonos en lamemoria? En [McIntyre et al., 1998] se trata deidentificar los sistemas de referencia utilizadospara representar la posición de un objeto duran-te un periodo de memoria o recuerdo. Para ellose realizan experimentos que miden los erroresde los participantes al señalar las posiciones tridi-mensionales que se les indican. Los participantesen los experimentos deben señalar los objetivosen distintas condiciones de: iluminación (luztenue o completa oscuridad), periodo de descan-so (0.5, 5.0 a 8.0 segundos), mano con la que serealiza la acción (derecha o izquierda) y localiza-ción del sitio de trabajo (Figura 5.3.1).

El modelo obtenido a partir de los experimentosanteriores se puede observar en la Figura 5.3.2.En primer lugar, recibe información visual como

entrada que es transformada en informaciónvisual centrada en el sistema de referencia delobservador. Seguidamente esta información estransformada en información motora basada enun sistema de referencia situado en el brazo querealiza la acción, con contracciones adicionales alo largo de un eje centrado en el hombro.Finalmente, dicha información es transformadaen información basada en el sistema de referen-cia centrado en la mano. Si las condiciones de ilu-minación permiten ver la mano durante el movi-miento de señalización, la posición final de éstaes comparada con la memoria visual del objetopara reducir los errores de la salida final.

Como resultado principal, se destaca que laorientación de errores variables difiere significati-vamente con las condiciones de luminosidad. Porlo tanto, aunque, después de analizar los erroresque se producen al señalar los objetos memoriza-dos, se han encontrado evidencias que apoyan

Figura 5.2.2. Sensores táctiles.

Figura 5.3.1. Gráfico del experimento realizado. Las elipses indicanerrores variables en el alcance del objetivo.

9 Prof. Joseph McIntyre, Senior Scientist (Chargé de Recherche), CNRS Laboratoire de Physiologie de la Perception et de l’Action, College de France,joe.mcintyre@ college-de-france.fr.

Figura 5.3.2. Modelo obtenido de los experimentos. Los círculos repre-sentan la información obtenida con respecto a un sistema de referenciaespecífico, mientras que los cuadrados indican transformaciones entresistemas coordinados.

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las representaciones que centran el sistema dereferencia en el observador, en su brazo o en sumano, en este artículo se defiende que la memo-ria a corto plazo almacena la posición final delobjetivo en un sistema de referencia centrado enlos ojos del observador y/o en su hombro, los cua-les diferencian entre los parámetros de distanciay dirección.

Por último destacar que es importante averi-guar dónde se centran los sistemas de referen-cia en los humanoscuando realizan movimien-tos de manipulación para poder mejorar lacoordinación de las interfaces cerebro-máquinay los sistemas híbrido-biónicos (prótesis, exoes-queletos, etc.) con el movimiento natural de laspersonas.

6. LOCALIZACIÓN DE LA VISIÓN Y EL MOVIMIENTO EN ELCEREBRO

6.1.Visión-acción vs. Visión-percepción10

Los sistemas de visión, en un principio, evolucio-naron en los animales no para percibir el mundo,sino para obtener un control sensorial de susmovimientos. La visión como “vista” apareció pos-teriormente, permitiendo a los seres vivos realizaroperaciones cognitivas complejas sobre represen-taciones mentales del mundo y perfeccionar sucomportamiento adaptativo.

Así pues, según [Goodale & Milner, 2004] existendistintas corrientes visuales en la corteza cerebral

de los primates. Aunque ambas procesan infor-mación acerca de la estructura y localizaciónespacial de los objetos, las salidas que proporcio-nan son diferentes. La corriente dorsal de acción,responsable del control sobre acciones de movi-miento, procesa medidas absolutas (euclídeas)de objetos dentro de un sistema de referenciacentrado en los efectores. Por otro lado, lacorriente ventral de percepción, que proporcionauna representación rica y detallada del mundopara llevar a cabo operaciones cognitivas (reco-nocimiento, identificación, etc.), no necesitamedidas absolutas, sino que utiliza sistemas per-ceptuales basados en la escena (no euclídeos).El reconocimiento de objetos depende de lahabilidad de reconocer un objeto independien-temente de su orientación y posición en unmomento dado. Un cuadro resumen de lascaracterísticas de dichas corrientes se proporcio-na en la Tabla 6.1.1.

• Pacientes con —Optic Ataxia“ presentan pro-blemas para agarrar directamente o dirigirmovimientos hacia objetos, incluso cuandodichos pacientes pueden describir la orienta-ción o posición relativa de esos objetos deforma precisa. Estos pacientes presentan dañosen la corriente dorsal, que proporciona un con-trol en tiempo real del sistema visuomotor.

• Pacientes con “Visual Agnosia” son incapacesde indicar el tamaño, la forma y la orientaciónde un objeto, ni verbalmente ni manualmente,

10 Prof. Melvyn A. Goodale, Canada Research Professor in Visual Neuroscience, Department of Psychology and Physiology, University of W esternOntario, Canada, mgoodale@ uwo.ca, http://www.ssc.uwo.ca/psychology/faculty/goodale/

Identificación de objetos Control visual de movimientos

Sistema de referencia basado en la escena Sistema de referencia basado en los efectores

Medidas relacionales Medidas absolutas

Proposicional Isomorfo

Representaciones a largo término Procesamiento momento a momento

Contenidos de consciencia visual Transformaciones visuomotoras para actos inconscientes

Corriente Ventral Corriente Dorsal

Tabla 6.1.1. Resumen de las características de las corrientes ventral y dorsal. Existen enfermedades que confirman esta teoría, como por ejemplo, la —Optic Ataxia“ y la “Visual Agnosia”, descritas a continuación:

71


aunque puede agarrar y dirigir su mano haciadicho objeto. Estos pacientes presentan dañosen la corriente ventral, que proporciona un con-trol off-line de los mecanismos perceptuales.

Es importante destacar que ambas corrientes,encargadas de la acción y la percepción, interac-túan y se complementan para producir un com-portamiento adaptativo en los seres vivos. Porejemplo, cuando queremos coger un libro intere-sante, no sólo lo agarramos de acuerdo a susdimensiones y localización, sino que tambiénhemos percibido que podría ser un libro que nohemos visto antes y que debemos cogerlo deforma que podamos utilizarlo adecuadamente.

En [Goodale & Humphrey, 1998] se relacionanestas dos vertientes sobre la percepción y laacción con la visión por computador, distinguien-do entre las líneas de investigación que se basanen el comportamiento (detección de obstáculos,agarre, guiado por visión, etc.) y las que se basanen la reconstrucción del mundo (creación demapas, reconocimiento de objetos, realizaciónde operaciones perceptuales y/o cognitivas, etc.).

Las líneas de investigación basadas en el compor-tamiento estarían relacionadas con la corrientedorsal, mientras que las basadas en la reconstruc-ción del mundo estarían relacionadas con lacorriente ventral.

Como resultados más relevantes, podemos des-tacar que, en [Goodale & W estwood, 2004], MelGoodale ha utilizado la resonancia magnética

funcional (fMRI) para analizar y localizar lascorrientes ventrales y dorsales en el proceso deagarre y reconocimiento de objetos.Determinando que la zona “Sulcus AnteriorIntraparietal” del cerebro procesa la forma de losobjetos, su tamaño y orientación con el propósitode llevar a cabo acciones como el agarre.Mientras que la zona “Lateral Occipital” del cor-tex del cerebro procesa la forma, tamaño y orien-tación de los objetos con el propósito de su reco-nocimiento (Figura 6.1.1).

Además, Goodale también ha utilizado la fMRIpara localizar las zonas del cerebro que se acti-van al detectar cambios de identidad y orienta-ción de los objetos. En primer lugar, en la Figura6.1.2, se pueden observar los objetos que secomparan en el experimento para detectar sientre ellos existen cambios de identidad o de

Visual Agnosia Corriente Ventral

Optic Ataxia Corriente Dorsal

Percepción Acción Zona dañada

Tabla 6.1.2. Resumen de enfermedades visuales relacionadas con la percepción y la acción.

Figura 6.1.1. Localización del agarre y reconocimiento de objetos en elcerebro.

Figura 6.1.2. Situaciones presentadas para la detección de cambios.

72


orientación. Seguidamente, en la Figura 6.1.3, sepueden ver las zonas que se han detectadocomo activas en cada uno de los casos. Al detec-tarse un cambio de identidad del objeto, se haactivado una zona del cerebro relacionada conla corriente ventral, que se encarga del control delas acciones de percepción (reconocimiento deobjetos); mientras que al detectar un cambio deorientación en el objeto, se ha activado una zonadel cerebro relacionada con la corriente dorsal,que se encarga del control de las acciones demovimiento.

Como una de las líneas de futuro más importan-tes, en [Goodale & Westwood, 2004] se mencionala utilización de la estimulación magnética trans-cranial (TMS) para avanzar en el entendimientode las interacciones entre las corrientes dorsal yversal en las personas humanas.

6.2. Neuronas motoras y visuomotoras11

Uno de los descubrimientos más fascinantes enneuropsicología en las dos últimas décadas esque las neuronas localizadas en la región frontaldel cerebro del mono (áreas F4 y F5, posible-mente homologables al área de Broca en elcerebro humano), clásicamente consideradacomo región motora, también responden a lapresentación visual de estímulos [Fadiga et al.,2000].

En [Murata et al., 1997] se estudian las propieda-des visuales y motoras de las neuronas del cortexventral premotor del mono (área F5), a partir delcomportamiento obtenido en cuatro situaciones:agarre de objetos con luz, agarre de objetos en

la oscuridad, fijación de la vista en objetos y fija-ción de la vista en un punto de luz. Como resul-tados principales se obtienen los siguientes:

• las neuronas motoras se asocian con movimien-tos de agarre,

• diferentes objetos agarrados de forma similar,determinan respuestas motoras neuronalessimilares,

• las neuronas visuomotoras se activan durante larealización de movimientos, pero también enrespuesta a la presentación de objetos 3D,

• la respuesta de las neuronas visuomotoras apa-rece tanto en el agarre de objetos con luz,como en la fijación de la vista en objetos;

• finalmente, la forma de un objeto se codificaen el cortex ventral premotor (F5) incluso cuan-do no se requiere la obtención de ninguna res-puesta de un objeto.

Las neuronas visuomotoras responden tanto aestímulos motores como visuales. En [Fadiga etal., 2000] se plantea que la activación de estetipo de neuronas no es puramente visual, ni pura-mente motor, sino que simplemente significa queuna acción particular se ha representado interna-mente en términos de “ideas motoras”, sin impli-car que el cerebro la vaya a realizar o no. Estasideas motoras podrían proporcionar las base neu-robiológica para la representación del espacio,para la comprensión de acciones realizadas porlos demás y, posiblemente, para la categorizaciónsemántica de objetos, ya que ésta, muchas vecesno puede excluir la información de cómo interac-tuar con dichos objetos.

Figura 6.1.3. Zonas del cerebro activadas en cada tipo de cambio.

11 Prof. Luciano Fadiga, Associate Professor of Human Physiology, Faculty of Medicine, Università di Ferrara, Italia, fdl@ unife.it, http://web.unife.it/progetti/neurolab/

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7. MODELOS PARA LA COMPRENSIÓN DE FUNCIONESHUMANAS12

7.1. Comprensión del desarrollo humano-motor

El desarrollo motor es el estudio de las accionesespontáneas de los niños en un ambiente deter-minado y en distintos campos sociales, las cualeshacen que los músculos interaccionen para llevara cabo diferentes tipos de tareas. Este desarrolloes importante, ya que la actividad motora esindispensable para el desarrollo de la cogniciónen los seres humanos. Como se muestra en laFigura 7.1.1, dada una tarea particular, patronesde movimiento organizados espacio-temporal-mente surgen de interacciones explorativas diná-micas entre el sistema neural, el cuerpo y elentorno.

Para estudiar el desarrollo humano-motor, LucBerthouze toma como ejemplo a los recién naci-dos, los cuales tienen una serie de limitacionescomo que: no pueden ver los objetos a tamaño

real, su memoria y campo de atención es reduci-do, su control del tronco, cabeza y brazos es limi-tado y sus movimientos son ineficientes y torpes.Como hipótesis, plantea que las limitaciones enlos sistemas motores y sensoriales de los bebéspodrían jugar un papel adaptativo en el desarro-llo del organismo.

Extrapolando el estudio del desarrollo humano-motor a la robótica, Berthouze también definecomo hipótesis el hecho de que empezar aexplorar con pocos grados de libertad, permiteuna exploración más eficiente del espacio sen-somotor, el cual, a la vez, coordina la adición denuevos grados de libertad. Para verificar dicha

hipótesis realiza un análisis comparativo entre laexploración realizada por: un sistema de controlcon dos grados de libertad independientes, conun grado de libertad y con dos grados de libertadautosuficientes.

Como resultado de este análisis destaca que unaúnica forma de fijar y liberar grados de libertad noes suficientemente representativa cuando la com-plejidad de la tarea aumenta o cuando se introdu-cen perturbaciones externas, sino que se necesitanmúltiples formas de cambios de grados de libertad.

Finalmente, como líneas de investigación futu-ras respecto al desarrollo motor, queda por deter-minar qué es lo que optimizan los niños durantesu etapa de exploración, cómo aprenden qué eslo que hay que explorar y cuales son las transicio-nes que realizan entre la adquisición de cadauna de sus habilidades.

7.2. Comprensión del discurso hablado

La comprensión del discurso hablado consiste enpercibir y entender lo que nuestro interlocutornos está diciendo por medio de la observaciónde los movimientos de la boca, expresión o ges-tos de la persona que habla, de la utilización delcontexto del mensaje y de la situación, del cono-cimiento de la forma de articular de nuestrointerlocutor, etc.

Los procesos cognitivos y preceptúales que defi-nen a un interlocutor que comprende adecuada-mente el discurso hablado aún no han sido iden-tificados. Esto es debido a que la comprensión deldiscurso hablado presenta algunas dificultades:una gran parte de fonemas son visualmenteindistinguibles, no existe un método de enseñan-za formal, es dependiente del contexto y de lapersona que habla, etc.

El efecto McGurk demuestra que el discurso tieneuna naturaleza bimodal, ya que los humanospercibimos una mezcla de los sonidos que oímosy de los movimientos de la boca que observamosdel interlocutor.

Como ejemplo de este efecto podemos conside-rar la situación siguiente: si oímos un video quedice “ba” y en dicho video aparece una persona

12 Prof. Luc Berthouze, Neuroscience Research Institute (AIST), Tsukuba Central 2, Japan, [email protected], http://staff.aist.go.jp/luc.berthouze/

Figura 7.1.1. Interacciones en el desarrollo humano-motor.

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articulando “ga”, lo que nosotros percibimos es elsonido “da”, es decir, una mezcla de ambos(Figura 7.2.1).

Luc Berthouze13 propone que, para comprenderel discurso hablado se debe poder seleccionar ysecuenciar las acciones que lo componen, lascuales son influidas por las asociaciones visual-motoras adquiridas previamente (niñez, etc.).Esto supone que la comprensión del discursohablado debería activar las áreas promotoras delcerebro, implicadas en la respuesta motora,selección y secuenciación, en vez de activar elárea de Broca, donde se localizan las neuronasespejo o que se activan por imitación. Comoresultado principal, destacar que este aspecto seha comprobado mediante una resonancia mag-nética funcional (fMRI) en sujetos con capacidadde oír, pero no entrenados en la comprensión deun discurso hablado en particular. Finalmente,como principal línea de futuro, se menciona laobtención de un modelo único de comprensióndel discurso hablado tanto para sordos comopara oyentes y el análisis de las diferencias exis-tentes entre ellos, si es que tienen lugar.

8. BIBLIOGRAFÍA

[Carmena et al., 2003] Jose M. Carmena, MikhailA. Lebedev, Roy E. Crist, Joseph E. O’Doherty,David M. Santucci, Dragan F. Dimitrov, Parag G.Patil, Craig S. Henriquez, Miguel A. L. Nicolelis.Learning to Control a Brainœ Machine Interfacefor Reaching and Grasping by Primates. PLoSBiology, Vol. 1, Issue 2, November 2003.

[Cavallaro et al., 2005] Ettore Cavallaro, JacobRosen, Joel C. Perry, Stephen Burns, BlakeHannaford, Hill-Based Model as a Myoprocessorfor a Neural Controlled Powered ExoskeletonArm œ Parameters Optimization, Proceedingsof the 2005 IEEE International Conference onRobotics and Automation, Barcelona, Spain,April 2005.

[Chu et al., 2005] Andrew Chu, H. Kazerooni andAdam Zoss, On the Biomimetic Design of theBerkeley Coger Extremity Exoskeleton (BLEEX),Proceedings of the 2005 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation,Barcelona, Spain, April 2005.

[Darwin et al., 2003] Caldwell G. Darwin,Tsagarakis G. Nikolaos, Development and Controlof a ”Soft-Actuated‘ Exoskeleton for Use inPhysiotherapy and Training, Autonomous Robots,vol. 15, n. 1, July 2003, pp. 21-23.

[Demiris & Khadhouri, 2006] Demiris Y, KhadhouriB, Hierarchical attentive multiple models for exe-cution and recognition of actions, Robotics andAutonomous Systems, 2006, Vol.: 54, Pages: 361- 369, ISSN: 0921-8890

[Fadiga et al., 2000] Luciano Fadiga, LeonardoFogassi, Vittorio Gallese, Giacomo Rizzolatti,Visuomotor neurons: ambiguity of the dischar-ge or ”motor‘ perception? International Journalof Psychophysiology, n. 35, pp. 165-177, 2000.

[Goodale & Humphrey, 1998] M. A. Goodale andG. K.Humphrey, The objects of action and percep-tion, Cognition, vol. 67, 1998, pp. 181-207.

[Goodale & Milner, 2004] Goodale MA, MilnerAD: Sight Unseen: An Exploration of Consciousand Unconscious Vision. Oxford: Oxford UniversityPress; 2004.

[Goodale & Westwood, 2004] Goodale MA,Westwood DA., An evolving view of duplex vision:separate but interacting cortical pathways for per-ception and action. Current Opinion inNeurobiology, vol. 14, pp. 203-211.

Figura 7.2.1. Efecto McGurk.

13 Neuroscience Research Institute, AIST Tsukuba, Japan.

76


[Goodwin et al., 1998] Goodwin, Jenmaln &Johansson, The Journal of Neuroscience, 1998.

[Gordon et al., 1993] Gordon. InternationalJournal of Psychophysiology.

[Gordon et al., 1991] Gordon. Exp. Brain Res.

[Jenmalm & Johansson, 1997] Jenmalm &Johansson, The Journal of Neuroscience, 1997.

[Johansson et al., 1999] Johansson, Backlin &Burstedt. Exp. Brain Res., 1999.

[Johansson & W estling, 1984] Johansson & Westling, Exp. Brain Res., 1984.

[Kazerooni, 1993] Kazerooni H., Extenders: ACase Study for Human-Robot Interaction vía theTransfer of Power and Information Signals,Plenary Speaker at the 2ndIEEE International Workshop on Robot and Human Communication,Tokyo, Japan, November 1993.

[Kiguchi et al., 2005] Kazuo Kiguchi, MohammadHabibur Rahman and Takefumi Yamaguchi,Rehabilitation Robotics: Adaptation Strategy forthe 3DOF Exoskeleton for Upper-Limb MotionAssist, Proceedings of the 2005 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation,Barcelona, Spain, April 2005.

[Kobayashi et al., 2003] Kobayashi, H.; Uchimura,A.; Shiiba, T.; Development of muscle suit forupper body, Intelligent Robots and Systems, 2003(IROS 2003). Proceedings 2003 IEEE/RSJInternational Conference, Vol. 4, Oct. 27-31,2003, pp. 3624-3629.

[Marcheschi et al., 2005] Simone Marcheschi,Antonio Frisoli, Carlo Alberto Avizzano andMassimo Bergamasco, A Method for Modelingand Control Complex Tendon Trnasmissions inHaptic Interfaces, Proceedings of the 2005 IEEEInternational Conference on Robotics andAutomation, Barcelona, Spain, April 2005.

[McIntyre et al., 1997] J. McIntyre, F. Stratta, F.Lacquanity, Viewer-Centered Frame of Referencefor Pointing to Memorized Targets in Three-Dimensional Space, International Journal ofPsychophysiology, 78(3):1601-18, September, 1997.

[McIntyre et al., 1998] J. McIntyre, F. Stratta, F.Lacquanity, Short-Term Memory for Reaching toVisual Targets: Psychophysical Evidence for Body-Centered Reference Systems, The Journal ofNeuroscience, 18(20): 8423-8435, October, 1998.

[Millan et al., 2003] Millan. New Scientist print edi-tion, 24 July 2003

[Murata et al, 1997] Akira Murata, LucianoFadiga, Leonardo Fogassi, Vittorio Gallese, VassilisRaos, andGiacomo Rizzolatti, ObjectRepresentation in the Ventral Premotor Cortex(Area F5) of the Monkey, The Journal ofNeurophysiology Vol. 78 No. 4 October 1997, pp.2226-2230.

[Rocon et al., 2005] E. Rocon, A. F. Ruiz, J. L.Pons, J.M. Belda-Lois, J. J. Sánchez-Lacuesta:Rehabilitation Robotics: A Wearable Exo-Skeletonfor Tremor Assessment and Supresión,Proceedings of the 2005 IEEE InternacionalConference on Robotics and Automation,Barcelona, Spain, Abril 2005.

[Sasaki et al., 2005] Daisuke Sasaki, ToshiroNoritsugu and Masahiro Takaiwa, RehabilitationRobotics: Development of Active Support Splintdriven by Pneumatic Soft Actuator (ASSIST),Proceedings of the 2005 IEEE InternacionalConference on Robotics and Automation,Barcelona, Spain, April 2005.

[Simmons & Demiris, 2005] Gavin Simmons andYiannis Demiris, Optimal Robot Arm Control UsingThe Minimum Variance Model, Journal of RoboticSystems, November 2005.

[Wolpaw et al., 2004a] Schalk G, McFarland DJ,Hinterberger T, Birbaumer N, Wolpaw JR.BCI2000: A general-purpose brain-computer inter-face (BCI) system. IEEE Transactions on BiomedicalEngineering 51:1034-1043, 2004.

[Wolpaw et al., 2004b] Leuthardt EC, Schalk G, Wolpaw JR, Ojemann JG, Moran DW . A brain-com-puter interface using electrocorticographic signalsin humans. Journal of Neural Engineering 1:63-71, 2004.

Los continuos avances de la Informática y las NuevasTecnologías en los últimos años han influenciado todaslas facetas de nuestra vida diaria. El campo de la Saludno podía ser la excepción, y en la actualidad podemosencontrar multitud de sistemas robóticos en el merca-do médico que han revolucionado no sólo los diagnós-ticos y tratamientos, sino también la gestión interna delos hospitales.

El equipo con una introducción más espectacular enlos últimos años ha sido el Sistema QuirúrgicodaVinci® (Intutive Surgical, Sunnyvale, Ca, USA, distri-buido en España por Palex Medical). Desde su introduc-ción en el año 2000, ya hay más de 1300 sistemas ins-talados en todo el mundo (14 de ellos en España).

El sistema consta de una consola y un robot quirúrgico.

77


Sistema Quirúrgico daVinci®Lluïsa Arbat ________________________________________________________________________________________Jefe Línea - Product Line ManagerPalex Medical SALínea Oncología

La consola, apartada del campo quirúrgico, contieneun sistema de visualización tridimensional de alta reso-lución (hasta 1080 p) del campo quirúrgico y unosmandos ergonómicos a través de los cuales el cirujanocontrola la imagen y los movimientos del robot. El sis-tema de visualización 3D sitúa al cirujano “dentro” delpaciente.

El robot se sitúa en la mesa de operaciones y contienelos brazos que mueven la óptica para el sistema devisión tridimensional y los instrumentos quirúrgicos, loscuales se introducen en el paciente a través de peque-ñas incisiones de forma muy similar a la cirugía lapa-roscópica. Los instrumentos reproducen en tiempo realy con gran precisión los movimientos de las manos delcirujano mediante los mandos maestros de la consola.Esto permite al cirujano poder acceder a través depequeñas incisiones sin sacrificar la destreza, precisióny libertad de movimientos de la cirugía abierta. Estos

instrumentos poseen una doble articulación en lapunta, aumentando a 7 los grados de libertad, y per-miten al cirujano disponer de una “endomuñeca” deextraordinaria precisión.

Además, el sistema anula el temblor fisiológico, y asi,gracias a la visión tridimensional, la articulación de losinstrumentos y la resolución de las ópticas se consiguereducir la curva de aprendizaje de la Cirugía laparoscó-pica, con lo que se puede aplicar por mayor númerode cirujanos en procedimientos cada vez más comple-jos, con lo que acerca los beneficios de la Cirugía míni-mamente invasiva al mayor número de pacientes.

Los campos de aplicación son hoy en día muy amplios,y abarcan un gran número de procedimientos en elcampo de la urología, ginecología, cirugía general,torácica y cardiaca, así como procedimientos en pedia-tría y ORL.

Otra aplicación espectacular de la Informática y laRobótica al campo de la Medicina es el Robot dePresencia Remota RP7® (InTouch Health, Goleta, Ca,USA, distribuido en España por Palex Medical). Esterobot permite que un especialista experto puedaconectarse desde cualquier lugar con un ordenadorportátil (con un módem USB), a través de la red deInternet doméstica, con cualquier robot situado encualquier Centro de Salud del mundo.

Gracias al desarrollo del software, se ha conseguido dis-poner de una plataforma autónoma, con una excep-cional calidad de imagen y sonido, con tan sólo 600kbps. De esta manera, un paciente puede tener acce-so al mejor especialista, lo que es especialmente útilen situaciones de Urgencia, como en el caso del Ictus.

Otra aplicación robótica en el campo de laElectrofisiología es el Sistema robotizado de guiadode catéteres Sensei® (Hansen Medical, MountainView, Ca, USA, distribuido en España por PalexMedical). Este sistema permite guiar con total precisiónun catéter introducido por la vena femoral del pacien-te hasta la aurícula izquierda, para la ablación denodos ectópicos causantes de arritmias, como la fibrila-ción auricular.

El médico dispone de una consola que le permite, através de una imagen tridimensional virtual del cora-zón, empujar la punta del catéter hasta el lugar preci-so que se desea tratar, integrando además otros datos,como la presión de la punta, el ECG, etc.

Por último, cabe destacar también un robot sanitario paralas farmacias de hospital llamado RIVA - RoboticIntraVenous Automation (Intelligent Hospital Systems INC.en Canadá, distribuido por Palex Medical en España).

RIVA prepara de forma automática y con elevada pre-cisión jeringas y bolsas para administración intravenosamejorando algunos aspectos clave en el trabajo de lafarmacia del hospital como son la seguridad tanto delpaciente como de los técnicos de farmacia y el rendi-miento por su elevada capacidad de producción yvelocidad.

RIVA es el único robot actualmente disponible en el mer-cado que permite preparar mezclas intravenosas de fár-macos quimioterápicos o bien otros fármacos no conta-minantes tanto para adultos como en pediatría. En elcaso de preparación de fármacos citostáticos, RIVA debeser configurado para ventilar hacia el exterior del hospi-tal, del mismo modo que se hace hoy en día con la ven-tilación de las campanas de flujo laminar.

RIVA dispone de un brazo robótico en la zona de pre-paración de mezclas que mueve viales, jeringas y bol-sas a las diferentes estaciones de trabajo en el interiordel sistema. Tiene amplia capacidad de almacén, dis-pone de 2 carruseles con 12 espacios cada uno, en elque se adaptan diferentes estantes según las necesida-des de la farmacia. Esta característica permite que elpersonal de farmacia pueda cargar viales, jeringas ybolsas para la producción de las mezclas de todo el día.

En relación a la seguridad, cabe destacar,que la zona de preparación de mezclastiene presión negativa (ISO Clase 5) res-pecto al exterior, RIVA dispone de una luzUV en su interior que permite esterilizarviales, se realiza identificación de cadavial o bolsa por código de barras y porlectura óptica, se pesa cada jeringa o vialantes y después de cada paso, el etique-tado de las bolsas y jeringas se realiza enel interior del sistema de forma que seevitan posibles errores humanos.Además todo el proceso queda registra-do informáticamente asegurando la tra-zabilidad del mismo. RIVA se adapta a78


viales y diluyentes de 1 a 100ml, a jeringas de 1ml a60ml, y a bolsas IV de 25ml hasta 1L de diferentes mar-cas disponibles en el mercado. Está diseñado para elimi-nar la exposición al técnico a medicación contaminantey por tanto reduce los riesgos para el personal de farma-cia. Además, RIVA se integra con el sistema informáticodel hospital mediante la creación de una interfaz.


Lo que el médico no puede oír, lo sabe con antelación. Gracias a las soluciones de eSanidad de T-Systems. Las soluciones para el sector sanitario de T-Systems permiten a los médicos, a los hospitales y a los centros asisten-ciales la gestión integrada de la información y la optimización de los procedimientos. Gracias a estas soluciones innovadoras, los datos médicos importantes del paciente están disponibles de forma exhaustiva, rápida y segura, seevita la duplicación de pruebas diagnósticas y se reducen los costes. Todo ello con el objetivo de mejorar la calidaddel servicio al paciente.

RESUMEN

La cirugía de mínima invasión se ha impuesto definitiva-mente a la cirugía abierta convencional en múltiplescampos y la aplicación de la robótica a las intervencionesquirúrgicas permite avanzar en este ámbito. El entrena-miento en cirugía robótica crea la necesidad de desarro-llar nuevas estrategias didácticas, que fijen los criteriosque permitan organizar los contenidos científicos y lasactividades que se planteen al discente, para alcanzar los

objetivos pedagógicos. Esta formación específica exigedisponer de recursos singulares, determinadas herra-mientas didácticas, y docentes con instrucción específicaen estos métodos de enseñanza. En Iavante utilizamosmetodologías didácticas innovadoras complementariasque abordan la formación especializada en cirugía lapa-roscópica y robótica, buscando garantizar la adquisiciónde los conocimientos, habilidades y actitudes necesariospara la práctica quirúrgica óptima.

1. INTRODUCCIÓN

El cambio más importarte que se ha producido en losúltimos años en el campo de la cirugía es la disminucióndel grado de invasión del organismo, al minimizar elacceso quirúrgico en muchos procedimientos. Estenuevo paradigma se ha sustentado en los avances tec-nológicos y ha modificado –por extensión— el enfoqueestratégico en todas las especialidades quirúrgicas. Estenuevo modelo es la cirugía endoscópica, en la que lavisión del cirujano no es directa sino a través de imáge-nes de vídeo captadas y transmitidas, y el acceso alcampo operatorio se realiza mediante instrumentos, porlo que el cirujano ya no toca los órganos del paciente.

Así, la cirugía de mínima invasión se ha impuesto defini-tivamente a la cirugía abierta convencional en múltiples

campos, ya que reúne importantes ventajas frente aésta:

• Menor daño a los tejidos

• Menor pérdida sanguínea

• Menor dolor posoperatorio

• Menor estancia hospitalaria

• Más rápida incorporación social y laboral

Efectivamente, más que por la intervención en sí, eldaño que se ocasiona al acceder al área operatoria esla causa del malestar, dolor e incapacidad funcionaldel paciente y, en cierta medida, de complicacionesposoperatorias, por ello, conseguir minimizar el accesoquirúrgico es uno de los actuales principios estratégicosde la cirugía.

PALABRAS CLAVE

Cirugía robótica, Cirugía mínimamente invasiva, Metodologías didácticas innovadoras, Entrenamiento quirúrgico, Ciru-gía experimental.

80


FORMACIÓN EN CIRUGÍA EXPERIMENTALENDOSCÓPICA ASISTIDA POR ROBOT:UN NUEVO PARADIGMA DE ENTRENAMIENTO

Chaves Vinagre J., Villén Sánchez J.A., Sánchez Carrión J.M., Vázquez Granados J. y el equipo de trabajo dela Fundación Iavante _______________________________________________________________________________Dirección para la correspondencia:Dr. Juan Chaves Vinagre, Director de ProgramasFundación Iavante, Consejería de Salud, Junta de Andalucía. Parque Tecnológico de Ciencias de la SaludAvda. de la Ciencia, s/n. 18100-Armilla-Granada-España

La aplicación de la robótica a la cirugía es un paso másen el campo de la Cirugía Mínimamente Invasiva, yaque los robots pueden proporcionar escasa invasión delorganismo durante las técnicas quirúrgicas y, por tanto,posibilitar procedimientos menos agresivos.

La introducción de la robótica en la cirugía, además,tiene como una de sus mayores ventajas la precisión.Así, la cirugía asistida por robot, en la cual el cirujanoutiliza brazos mecánicos que repiten los movimientosque realiza en una consola, permite eliminar el tem-blor del propio cirujano, incluso en tareas de alta pre-cisión. A esto se une la ampliación del campo quirúrgi-co, al utilizar una visión tridimensional amplificada.Estos sistemas, por consiguiente, posibilitan la amplia-ción de las capacidades propias de los profesionales,mejorando la habilidad manual del conjunto de loscirujanos e igualándola a la de los profesionales másdestacados, y pueden corregir ciertas inhabilidades —como temblores o deficiencias en la fuerza paramaniobrar instrumentos— ocasionadas por la edad, loque puede repercutir en prolongar el tiempo útil dedesarrollo de la profesión y aprovechar la experienciaacumulada durante más tiempo.

En el año 2000, la Food and Drug Administration(FDA), organización encargada de regular la prácticamédica y el uso de medicamentos en los EstadosUnidos, aprobó el sistema quirúrgico da Vinci® para suuso en quirófanos; esto lo hace el primer sistema robo-tizado para cirugía en humanos. Actualmente unimportante número de hospitales americanos y nume-rosos centros europeos disponen de este equipo, apli-cándose en áreas como la cirugía urológica, la cirugía

ginecológica, la cirugía torácica y cardiovascular y enalgunas aplicaciones en cirugía general.

El beneficio que la aparición de esta tecnología tienepara nuestros pacientes es obvio y pasa por el desa-rrollo y la aplicación de este nuevo paradigma emer-gente en todas aquellas áreas de conocimiento qui-rúrgico en las que la posibilidad de la cirugía mínima-mente invasiva es o puede ser una realidad. Estosavances tecnológicos y su aplicación precisan, encualquier caso, de una preparación y un conocimien-to explicito y, para ello, la formación de los profesio-nales de la cirugía en estos nuevos sistemas cobra sin-gular importancia.

El entrenamiento quirúrgico en endoscopia asistida porrobot crea la necesidad de desarrollar nuevas estrate-gias didácticas, que fijen los criterios que permitanorganizar los contenidos científicos y las actividadesque se planteen al discente, para alcanzar los objetivospedagógicos. Esta formación específica exige disponerde recursos singulares, determinadas herramientasdidácticas, y docentes con instrucción específica enestos métodos de enseñanza.

IAVANTE, Fundación Pública de la Consejería de Saludde la Junta de Andalucía, cuenta con un centro desimulación médica equiparable a los más avanzadosde Europa y en vanguardia por la implantación demetodologías didácticas innovadoras de simulación. ElCentro Multifuncional Avanzado de Simulación eInnovación Tecnológica (CMAT), en Granada, disponede instalaciones donde se desarrollan las metodologí-as de entrenamiento: simulación robótica, simulación 81


Figuras 1a y 1b. Sistema quirúrgico de telemanipulación da Vinci®. CMAT, Granada.

virtual, simulación escénica, así como, la metodologíade e-learning a través de su plataforma de teleforma-ción. Este centro, por tanto, está capacitado para desa-rrollar un programa de entrenamiento integral en ciru-gía minimamente invasiva, que englobe tanto la ciru-gía laparoscópica y endoscópica por simulación de rea-lidad virtual, como la cirugía robótica y laparoscópicaen ambiente quirúrgico real sobre modelo animal yhumano y, así, permitir la formación experimental delos profesionales del Sistema Sanitario Público.

2. METODOLOGÍA DEL ENTRENAMIENTO

Se utilizan metodologías didácticas innovadoras com-plementarias que aborden la formación especializadaen cirugía laparoscópica y robótica, buscando garanti-zar la adquisición de los conocimientos, habilidades yactitudes necesarios para la práctica quirúrgica óptima.

Para desarrollar este programa integral de entrenamien-to es necesario contar con sistemas quirúrgicos de cirugíarobótica y simuladores quirúrgicos que utilicen realidadvirtual, además de la inmersión en un ambiente quirúr-gico real mediante la utilización de biorreactivos.

2.1. Sistemas de entrenamiento quirúrgico

2.1.1. Sistema quirúrgico de telemanipulación daVinci®1,2,3

El sistema quirúrgico de telemanipulación da Vinci® esun robot que hace posible realizar intervenciones qui-rúrgicas mínimamente invasivas.

El robot consta de los siguientes elementos:

• Consola del cirujano

• Carro robotizado

• Instrumentos quirúrgicos

• Torre

El equipo quirúrgico (ayudante, enfermera y anestesis-ta) participará de la intervención y visualiza el campooperatorio mediante una videocámara.

Desde la consola de control, donde el cirujano seencuentra ergonómicamente sentado, se manipula elrobot a distancia del paciente, proporcionando lacomunicación entre el cirujano y los brazos del robotquirúrgico.

El cirujano gobierna los brazos del robot a través deluso de controles localizados en un espacio 3D virtual.Cuando se accionan los controles, manivelas que seadaptan al dedo pulgar e índice del cirujano, la infor-mación se digitaliza y se transmite a los brazos delrobot, que reproducen con alta precisión y fidelidad losmovimientos de las manos del cirujano en el campo

82


Figuras 2 y 3. Sistema quirúrgico de telemanipulación da Vinci®: losbrazos del robot reproducen fielmente los movimientos de las manos delcirujano en la consola. CMAT, Granada.

1 (Llanos A., Villegas R., 2006, p. 11-12)2 (Arroyo C., 2005, p. 13-17)3 (Intuitive Surgical® da Vinci® Surgical System. 2005)

quirúrgico a tiempo real. Esto tiene una importanciafundamental si consideramos que la cirugía requieremovimientos cuidadosos y rápidos para evitar daño enel paciente.

El cirujano obtiene una visión tridimensional y panorá-mica del campo quirúrgico con imágenes de alta reso-lución que pueden magnificarse hasta 10-15 aumen-tos. El sistema de visión incluye un endoscopio tridi-mensional de alta resolución con dos canales indepen-dientes conectados a dos monitores.

El brazo del robot está situado junto a la mesa de ope-raciones y consta de 4 brazos electromecánicos quemanipulan los instrumentos dentro del paciente. Unode los brazos porta la videocámara con dos imágenesde doble canal que se funden y dan una imagen este-reoscópica tridimensional, permitiendo que el opera-dor en la consola cambie, mueva, enfoque y rote confacilidad su campo visual. Dos de los brazos sostienenel instrumental y el cuarto brazo permite agregar untercer instrumento para realizar tareas adicionalescomo la tracción-separación.

Los instrumentos del robot están miniaturizados (2-4mm), con una articulación distal que permite 7 gradosde libertad de movimiento y 90 grados de articulación.Además, cuenta con un sistema de eliminación deltemblor del cirujano proporcionando mayor precisión ycontrol, haciendo posible la realización de cirugía condesplazamientos mínimos del cirujano y sin las restric-ciones debidas a su pulso.

Los instrumentos del robot quirúrgico tienen articula-ción de codo y muñeca posibilitando la rotación axialque minimiza los movimientos naturales de la cirugíaabierta. Hay un amplio rango de instrumentos disponi-bles: gancho, tijeras, pinza de agarre, portaagujas,disector de ultrasonidos, etc.

Este sistema necesita un corto periodo de aprendizajepara alcanzar un tiempo de intervención y cifras decomplicaciones razonables.

Con la utilización de la cirugía robótica se soslayan losinconvenientes que, especialmente para el cirujano,plantea la cirugía laparoscópica convencional. Sus ven-tajas frente a ésta son:

• Visión tridimensional

• Curva de aprendizaje corta

• Sensación natural y ergonómica

• Comodidad

• Ausencia de temblor, incluso en tareas de alta preci-sión

• Instrumentos con extremos articulados y 7 grados demovimiento

2.1.2. Planteamiento metodológico del entrenamiento

El planteamiento metodológico del entrenamientoestá diseñado para garantizar la adquisición de losconocimientos, habilidades y actitudes necesarios parala práctica quirúrgica óptima. Para conseguir estosfines, particularmente, se desarrollan:

2.1. Ejercicios de entrenamiento para el manejo del sis-tema quirúrgico de telemanipulación da Vinci® y delinstrumental de laparoscopia

El paso inicial del entrenamiento consiste en el desarro-llo de talleres prácticos que posibiliten el adiestramien-to del cirujano en el manejo del instrumental laparos-cópico y del sistema quirúrgico de telemanipulaciónrobótica.

En estos ejercicios para la cirugía asistida por robot, elcirujano ha de aprender a utilizar los brazos mecáni-cos que repiten los movimientos que realiza en la con-sola. El cirujano ha de sacar el máximo rendimientode la libertad de movimiento –en siete diferentesángulos— que permiten los instrumentos, intentandoemular los arcos de movimiento efectuados por la

83


Figura 4. Quirófano de CMAT, Granada. Cirugía laparoscópica asistidapor robot.

articulación de la muñeca humana. Esto es un granavance si consideramos que toda la cirugía laparoscó-pica tiene como limitante que los movimientos se rea-lizan sin poder flexionar los instrumentos, siendo elcirujano el que se adapta a estas restricciones durantela cirugía4.

2.2. Entrenamiento de procedimientos quirúrgicos con elrobot, con los simuladores de laparoscopia y con mate-rial para laparoscopia real con modelos experimentalesanimales y humanos, en un entorno que reproduzcaverazmente la realidad clínica y su contexto

En CMAT se han acondicionado quirófanos, con todoslos elementos necesarios, para que los cirujanos se

encuentren en un entorno real de trabajo. Se pretendellevar al discente a un ambiente que reproduzca larealidad, con una escenografía lo más completa yveraz posible, y, en este contexto, pueda enfrentarse asituaciones análogas a las que tenga que resolver ensu actividad asistencial. El material anestésico-quirúrgi-co, vestuario, otros elementos escénicos y roles de par-ticipantes, permiten el entrenamiento de forma ajusta-da a la realidad.

La cirugía con modelos animales permite el abordajegeneral de las técnicas laparoscópicas asistidas porrobot. Además, se afrontan múltiples técnicas quirúrgi-cas específicas (tabla I).

84


1. Tratamiento Laparoscópico de la Colelitiasis y Colecistitis1.1. Técnica de colecistectomía1.2. Colangiografía intraoperatoria

2. Tratamiento laparoscópico de la Enfermedad por reflujoTécnica de Nissen por vía laparoscópicaTécnica de Nissen-Rossetti por vía laparoscópica.Técnica de Toupet por vía laparoscópica

3. Tratamiento Apendicectomía laparoscópica Apendicectomia intrabdominal, Apendicectomia parcialmente extrabdominal,Apendicectomia con ligadura extrabdominal

4. VideotoracoscopiaTécnica y variaciones de la técnica según indicaciones:Derrame pleural; Patología difusa pulmonar; Neumotóraxespontáneo; Tumores mediastínicos, adenopatias y estadi-ficación del cáncer pulmonar; Exploración del pericardio;Traumatismos torácicos; Exploraciones transdiafragmáticas

5. Tratamiento laparoscópico de la hernia inguinal5.1. Hernioplastia total extraperitoneal (TEP)5.2. Hernioplastia transperitoneal (TAPP)5.3. Técnica intraperitoneal con prótesis de PTFE

6. Gastroenteroanastomosis7. Enteroenteroanastomosis y Coloenteroanastomosis8. Resección y anastomosis de intestino delgado9. Neumotórax. Biopsia pulmonar10. Biopsia hepática. 11. Gastropexias12. Rectopexias13. Colposuspensión14. Anexectomía. Ooforectomía15. Histerectomía Laparoscópica16. Hemoperitoneo.17. Resección pulmonar. Técnicas quirúrgicas y sus variantes

18. Suprarrenalectomía laparoscópica

19. Esplenectomía y esplenectomía parcial laparoscópica

20. Simpatectomía toracoscópica

21. Cirugía urológica laparoscópica

1.21.1. Nefrectomía 1.21.2. Prostatectomía

1.22.3. Cistoprostatectomía

22. Linfadenectomía pélvica

23. Abordaje laparoscópico de patología vascular

24. Tratamiento laparoscópico de la vía biliar

1.24.1. Coledocotomía: Coledocorrafia primaria,Coledocorrafia sobre tubo en T

1.24.2. Anastomosis bilio-digestiva

1.24.3 Coledocoduodenostomía

25. Cirugía colorrectal laparoscópica

1.25.1. Hemicolectomía dcha.1.25.2. Hemicolectomía izquierda.

1.25.3. Colectomía transversa.

1.25.4. Sigmoidectomía y resección anterior del recto

26. Esofaguectomía

1.26.1. Esofaguectomía trashiatal laparoscópica

1.26.2. Esofaguectomía trashiatal asistida

1.26.3. Esofaguectomía combinada toracoscópia y laparoscopia

27. Gastrectomía parcial y total

28. Cirugía del Páncreas laparóscopica

29. Cirugía Hepática

30. Cirugía bariátrica

Cirugía restrictiva, banda gástrica ajustable, gastroplastia vertical anillada, Bypass gástrico y derivación biliopancreática

31. Abordajes en cirugía de cabeza y cuello

Tabla 1. Procedimientos quirúrgicos con utilización de modelos experimentales animales y humanos

4 (Arroyo C., Zubirán S., 2005, p. 13-17)

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Un sistema sanitario más inteligente es aquel capaz de gestionar

de forma eficiente e integrada el gran volumen de datos generado

alrededor de un paciente. De esta manera cada persona es

"propietaria" de su propia información teniendo acceso a una red

de colaboración sanitaria que reduce los errores médicos.

Un sistema sanitario más inteligente está tecnológicamente

preparado para que los sistemas de salud puedan capturar

automáticamente información precisa y en tiempo real. Una

iniciativa conjunta de IBM con Google Health y Health Alliance,

permite a los pacientes y a sus familias almacenar y seguir toda

la información sobre la evolución de su salud a través de

dispositivos médicos. En Dinamarca, ya se están utilizando

sistemas de prevención con telemetría avanzada para monitorizar

la evolución de pacientes de la tercera edad en sus hogares.

Un sistema sanitario más inteligente está interconectado, para

que médicos, pacientes y proveedores de asistencia sanitaria

puedan compartir información de forma continua y eficiente.

Sainte-Justine, un hospital de investigación en Quebec, está

automatizando la recogida, gestión y actualización de información

crítica que a menudo se encuentra distribuida entre distintos

departamentos. Las soluciones de análisis de datos pueden

acelerar las investigaciones sobre el cáncer infantil para mejorar

la salud del paciente, mientras disminuyen drásticamente el coste

de adquisición de la información y mejoran la calidad de los datos.

El Servicio Extremeño de Salud ha implantado un sistema de

información integrado a nivel regional que permite a los médicos

prescribir los tratamientos de sus pacientes con mayor rapidez

y precisión gracias a una visión de la historia clínica completa y

actualizada.

La transformación de los sistemas sanitarios va más allá de los

beneficios concretos para los pacientes y proveedores de

asistencia sanitaria. Todos estos avances se traducen en reducción

de costes, mejor calidad en el servicio y personas más saludables.

En otras palabras, contaremos con un sistema de salud más

eficiente y con la atención donde corresponde, en el paciente.

Construyamos un planeta más inteligente.

Visite ibm.com/smarterplanet/es

Diagnóstico para un planeta más inteligente.

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La cirugía experimental en modelo humano, asimismo,permite realizar cirugía robótica con relación a: cirugíavascular, de vía biliar, cirugía de colon, recto, esófago,gástrica, cirugía del páncreas o resección pulmonar.

2.3. Entrenamiento de casos específicos diseñados conrelación a errores médicos evitables para disminuir el ries-go de los pacientes y, por tanto, que eluda la iatrogeniaque supone toda curva de aprendizaje en campo real.

Se potencia el entrenamiento específico de aquellosaspectos técnicos que inciden en la producción deiatrogenia y que contribuyen significativamente en lapreparación de los cirujanos, interviniendo decidida-mente en la mejora de la seguridad del paciente.

Por ello, se hace especialmente relevante la evalua-ción de los aspectos relacionados con la disminucióndel riesgo de los pacientes y la formación experimen-tal de los profesionales.

2.4. Observación y análisis en tiempo real, y análisis-debate (debriefing) y videoanálisis tras el acto quirúrgi-co, para propiciar el feedback del profesional.

Es fundamental realizar, tras las intervenciones quirúrgi-cas, la autoevaluación instantánea o a corto plazo —tanto individual como en equipo—, la reflexión sobreel procedimiento quirúrgico y el establecimiento deobjetivos individuales de aprendizaje.

Análisis en tiempo real

La participación activa del cirujano discente en la inter-vención quirúrgica es el método de mayor beneficiopara el aprendizaje, máxime cuando es tutelado porun cirujano experto en todo momento. Sin embargo,el entrenamiento complementario de los cirujanos dis-centes se puede llevar a cabo con la observación de laintervención y su análisis pormenorizado posterior.

La observación de la intervención quirúrgica se realizaen un aula donde se retransmite la señal del monitordel sistema óptico del equipo de endoscopia, y las imá-genes (desde diferentes ángulos) y sonido del quirófa-no. De esta forma, el resto del grupo de discentespuede seguir en tiempo real la intervención. La inter-venciones quirúrgicas se graban para poderlas utilizaren sesiones de análisis posteriores.

Sesiones de análisis y debate

La finalidad de la sesiones de análisis y debate tras laintervención en quirófano es el aprendizaje y no la

evaluación. La sesión de análisis y debate es un tiem-po de reflexión y de revisión conjunta (discentes-docen-tes) para descubrir qué ha ocurrido durante el entrena-miento en el quirófano y qué significado tiene.

La utilización del video análisis es fundamental para elanálisis de la intervención quirúrgica, además de seruna buena práctica para dirigir la discusión. En concre-to, es muy útil para hacer recordar a los participanteslos buenos y malos aspectos de la actuación en un pro-cedimiento determinado.

2.5. Entrenamiento en competencias de habilidades notécnicas, en un ambiente quirúrgico realista, que permi-ta la mejora de la comunicación eficaz y la coordina-ción del equipo quirúrgico, así como, la comprensión delos nuevos roles establecidos derivados de la utilizacióndel sistema de telemanipulación da Vinci®.

Se abordan, asimismo, el entrenamiento de habilida-des no técnicas. La formación específica del profesio-nal sanitario (así como, en otro contexto, el entrena-miento de pilotos de aviación: Crew ResourceManagement), exige el entrenamiento tanto en loreferente a la ejecución técnica como a la manifesta-ción de conductas ajustadas. Puntos clave5 son: elentrenamiento en liderazgo, orientación al problema,comunicación efectiva, creación de ambiente de equi-po, delegación de tareas, anticipación, comprobacióncruzada de la información disponible, reevaluacióncontinua de los problemas, prevención de los erroresde fijación y entrenamiento conjunto de equipos mul-tidisciplinares. La utilización de una escenografía lomás completa y veraz posible, y sesiones de análisissoportadas por grabaciones en vídeo, son la base delentrenamiento de profesionales que, además de opti-mizar sus conocimientos científico-técnicos, han de lle-gar a conseguir una profunda comprensión de lassituaciones más críticas, en las cuales, la capacidad detrabajo en equipo, la coordinación de actividades com-plejas, la capacidad de aprender de los errores o dereconocer cuándo pedir ayuda: son elementos decisi-vos para la resolución de situaciones de crisis.

2.6. Apoyo mediante metodología e-learning (telefor-mación). La utilización de herramientas Web comoapoyo y soporte, permite la creación, adquisición y dis-tribución de contenidos de aprendizajes, complemen-tando a la actividad presencial.

El uso de herramientas Web, como apoyo y soporte delproyecto, incluye el concepto de e-learning 2.0, que vamás allá de la limitación de las plataformas de apren-

5 (Gaba DM, Fish Kj, Howard SK., 1994)

dizaje virtual, y que concibe a la Web como un conjun-to de herramientas que posibilita la creación, adquisi-ción y distribución de contenidos de aprendizaje —unavisión de la Web como plataforma de aprendizaje—.

La formación entendida al margen de las nuevas tec-nologías requiere coincidencia espacio-temporal entrealumno y profesor. Hasta una nueva convocatoria detaller o actividad quirúrgica no existe, en principio,labores de aprendizaje tutelado. Aplicando la filosofíadel e-learning 2.0, la creación de una red de personas–discentes, docentes/expertos- conforman una comuni-dad virtual (interacciones, vinculaciones y relacionesvía Web) de larga duración, más allá de las accionesformativas puntuales.

De esta forma, se consigue unir los beneficios deambos conceptos (e-learning y redes sociales) permi-tiendo conseguir un modelo pedagógico más flexible(basado en el autoaprendizaje, el trabajo colaborativoy el apoyo del equipo docente) y potenciarlo median-te el intercambio de experiencias prácticas de cadauno de los participantes en su labor cotidiana en sucentro de referencia, más allá del periodo temporallimitado por la acción formativa

2.7. Retransmisión en directo de intervenciones o prác-ticas que se desarrollan en CMAT o, en su caso, en cual-quier otro Centro (de carácter hospitalario o instituciónde formación, a nivel nacional o internacional).Especialmente, se incorpora el “teleconsejo” de espe-cialistas desde su propia institución.

Un nuevo paso a emprender es la transmi-sión de eventos/intervenciones a los centrosdel Sistema Sanitario Público, lo que propi-ciará trabajar junto a los expertos de la RedCorporativa de la Junta de Andalucía, paradotar a la red de nuevas funcionalidades(QoS, multicast) y contenidos. Se profundi-zará en la viabilidad de Televisión por IP(IPTV) y de otros tipos de servicios interacti-vos. Para la comunicación con centros noligados al acuerdo de la Red Corporativa dela Junta de Andalucía, se emplearáInternet, medio de comunicación de datosmás universal, lo que permitirá la utilizacióndel Centro de Acceso Único (CAU) con servi-cios innovadores hacia Internet, garantizán-dose todas las medidas de seguridad y con-fidencialidad necesarias en este tipo detransmisión de información.

En todo caso, la utilización de estos servicios innovado-res de comunicación permite incorporar el “teleconse-jo” de especialistas en cirugía laparoscopia y robóticadesde su propia institución.

3. PROGRAMA DE CIRUGÍA ROBÓTICA DE IAVANTE

La Fundación IAVANTE es una organización dependien-te de la Consejería de Salud, que tiene como misiónfacilitar y promover el desarrollo y entrenamiento inte-gral de profesionales sanitarios a través de las másinnovadoras metodologías didácticas, (entre las cualesse encuentra la simulación clínica), así como, impulsarla investigación e innovación en nuevas tecnologías deaplicación en el sistema sanitario, especialmente lasbasadas en las tecnologías de la información y lacomunicación.

IAVANTE intenta gestionar el entrenamiento de losprofesionales sanitarios desarrollando programas deformación al más alto nivel, en la búsqueda continuade la excelencia, manteniendo siempre en el hori-zonte la necesidad imperativa de optimizar la seguri-dad del paciente.

En IAVANTE, los contenidos de las acciones formativasse diseñan para su adecuación al entrenamiento espe-cífico de las competencias requeridas por los procesosasistenciales, y utiliza metodologías innovadoras —empleadas de forma individual o combinada en fun-ción de las necesidades requeridas para cada compe-

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Figura 5. Centro Multifuncional Avanzado de Simulación e Innovación Tecnológica (CMAT).

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tencia— gracias a la flexibilidad que permiten las infra-estructuras con que cuenta en CMAT. Estas metodologí-as innovadoras son: la simulación robótica, la simula-ción de realidad virtual y la simulación escénica conpacientes estandarizados y role play, además de lametodología e-learning mediante su plataforma deteleformación.

La metodología de simulación robótica emplea robotsy maniquís que accionan y reaccionan de forma simi-lar al ser humano en determinados procesos patológi-cos, permitiendo al participante actuar en entornossimilares a la realidad y adquirir destrezas en técnicassimples o complejas que, por su carácter invasivo, nopueden ser adquiridas mediante actuaciones reales.La metodología de simulación robótica trata de poneral alumno en situaciones complejas para el entrena-miento de competencias y destrezas que le permitanabordar esa y otras situaciones en su actividad cotidia-na con la seguridad de conocer las técnicas y disponerde las habilidades necesarias para su afrontamiento.

La simulación virtual, mediante software específicos deimagen sintética y realidad virtual, recrea entornos ana-tómicos reales donde el alumno puede entrenarse enel manejo de la herramienta exploratoria, en el cono-cimiento anatómico de zonas concretas y en el diag-nóstico y tratamiento de múltiples lesiones (CMAT dispo-ne de simuladores para el entrenamiento en técnicasde gastroscopia, broncoscopia, colonoscopia, urología,ecografía intraabdominal, punción percutánea renal ysimuladores de cirugía laparoscópica, entre otros.)

La metodología de simulación escénica posibilita queactores entrenados simulen situaciones en las que larelación interpersonal tiene gran impacto, como suce-de, por ejemplo, en las entrevistas clínicas. La simula-ción se desarrolla en escenarios que reproducen con lamayor fidelidad posible, los entornos donde se produ-cen estas situaciones para facilitar la inmersión delalumno en cada caso.

Al Implantar un programa integral de entrenamientoen cirugía endoscópica y robótica en CMAT, Iavante haestablecido como objetivos:

• Potenciar el aprendizaje del manejo de los equiposde cirugía robótica y endoscópica por los profesiona-les implicados.

• Potenciar el aprendizaje de todas las técnicas quirúr-gicas para las distintas especialidades.

• Promover la experimentación de nuevas técnicasquirúrgicas alternativas.

• Propiciar la utilización de estas tecnologías en otrastipos y especialidades quirúrgicas.

• Explorar posibles nuevos roles del equipo quirúrgicoen su conjunto.

• Abordar programas específicos de formación de resi-dentes.

• Promover la colaboración científica con centros hos-pitalarios que utilicen estas tecnologías para buscarsinergias en el viaje hacia la mejora continua.

• Potenciar la investigación sobre resultados en saludcon cirugía robótica y endoscópica, que permita lageneración de una evidencia sólida, especialmentecon relación a la seguridad del paciente y a la defi-nición de los procedimientos que más se beneficiande su aplicación.

El programa en cirugía robótica contempla el desarro-llo de los siguientes tipos de acciones formativas:

3.1. Cursos de acreditación para la utilización del “daVinci® Surgical System”

Se ha establecido un programa para la acreditación deequipos médicos —en colaboración con IntuitiveSurgical y Palex Medical SA — para la utilización del“da Vinci® Surgical System”.

3.2. Entrenamiento para el manejo del sistema quirúr-gico da Vinci®

Acciones formativas que permitan optimizar el mane-jo del sistema quirúrgico de telemanipulación robóticapor los equipos quirúrgicos (cirujanos/as yenfermeras/os) que comiencen a trabajar con el roboten sus centros hospitalarios, y posibiliten, asimismo, eladiestramiento de los cirujanos en la consola.

El manejo del sistema quirúrgico incluye aspectoscomo la disposición adecuada del quirófano, la ópti-ma preparación y colocación del paciente, la posiciónidónea de los trócares, la ajustada aproximación delrobot y la colocación precisa de los brazos electrome-cánicos de da Vinci.

Las destrezas en la consola abarcan la precisión, laamplitud de las trayectorias, la fuerza de prensión, lacoordinación bimanual y la rapidez de ejecución.

3.3. Abordajes quirúrgicos asistidos por robot

Acciones formativas específicas, dirigidas a los cirujanosque ya tienen en su ambiente laboral la posibilidad detrabajar con el sistema quirúrgico de telemanipulación“da Vinci® Surgical System”. Inicialmente:

• Cirugía robótica urológica

• Cirugía robótica ginecología

• Cirugía digestiva robótica

• Cirugía robótica cardiovascular

Se realiza el entrenamiento de procedimientos quirúr-gicos con el robot utilizando modelos experimentalesanimales (fundamentalmente la especie porcina), enun entorno que reproduzca verazmente la realidad clí-nica y su contexto.

Se afrontan técnicas quirúrgicas específicas de Urología,Ginecología, Cirugía Digestiva y Cardiovascular segúnla acción formativa de que se trate, y con dificultadcreciente.

3.4. Acciones formativas mixtas: cirugía laparoscópicaestándar y asistida por robot

Acciones formativas dirigidas a cirujanos que deseanexplorar las técnicas de mínima invasión:

• Cirugía laparoscópica y robótica urológica

• Cirugía laparoscópica y robótica ginecología

• Cirugía General y Digestiva laparoscópica y robótica

3.5. Cirugía robótica experimental:

• Cirugía vascular y cardiovascular

• Cirugía torácica

• C. robótica transoral de cabeza y cuello

• C. robótica de la base del cráneo

• C. robótica pediátrica

• y otras.

La cirugía robótica experimental en modelos animaleso humanos permite avanzar en técnicas quirúrgicascon relación a especialidades que todavía no han pro-fundizado en el abordaje asistido por robot.

Es una línea de trabajo de singular importancia para eldesarrollo de la cirugía robótica del futuro en Andalucíay con indudable trascendencia internacional.

3.6. Sesiones de cirugía robótica específicas

Acciones formativas ad hoc, en las que se entrenantécnicas específicas con cirugía laparoscópica asistidapor robot, según requerimiento de equipos médicosconcretos, con base en su experiencia previa con estossistemas de abordaje quirúrgico y sus necesidades dedesarrollo o aplicación inmediata sobre casos clínicosdeterminados.

Un programa de entrenamiento en marcha

La Fundación Iavante inició en el mes de mayo de2008 el programa de formación integral de cirugía,contemplando el entrenamiento en tres grandes

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Figura 6. Cirugía robótica experimental transoral. CMAT, Granada

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áreas, en el campo de la cirugía mínimamenteinvasiva:

• Cirugía endoscópica

• Cirugía Robótica

• Microcirugía

En cirugía robótica, desde su implantación hasta lafecha, se han desarrollado 42 acciones formativas, conun total de 171 alumnos.

Más 40% de estos alumnos provienen de hospitalesandaluces mientras que el resto son de hospitales deotras comunidades autónomas donde también dispo-nen de este sistema quirúrgico, así como, de algunospaíses europeos.

Por especialidades, tres de cada cuatro profesionalesde los que han acudido a recibir este entrenamientopertenecen a la especialidad de urología. El resto sonde ginecología (15%), cirugía General y digestiva (6%)y cardiología (4%).

El grado de satisfacción de estas acciones formativaspara pequeños grupos de profesionales es altísimo,próximo al 97%.

4. CONCLUSIONES

En los últimos años, la cirugía endoscópica se estáimponiendo definitivamente a la cirugía abierta, yaque reúne importantes ventajas, como son: menorestancia hospitalaria, menor dolor postoperatorio,menor daño a los tejidos, menor pérdida sanguínea ymás rápida incorporación social y laboral.

El principal problema de la cirugía laparoscópica es elprolongado tiempo de la curva de aprendizaje. Porello, en los próximos años, debe llevarse a cabo unesfuerzo para facilitar el entrenamiento de los profesio-nales implicados que permita el desarrollo de estas téc-nicas laparoscópicas que, objetivamente, influirán enuna mayor calidad en la atención a los pacientes.

Los nuevos avances tecnológicos en el campo de lalaparoscopia asistida por robot permitirá la consolida-ción de este paradigma emergente en cirugía minima-mente invasiva.

Para afrontar este reto, Iavante ha puesto en marcha unproyecto de formación integral en cirugía robótica, queincorpora metodologías didácticas innovadoras y queposibilita el entrenamiento en el manejo del sistema

quirúrgico de telemanipulación Da Vinci®, el entrena-miento de procedimientos quirúrgicos con modelosexperimentales animales y humanos en un entornoque reproduce verazmente la realidad clínica, entre-namiento de casos específicos diseñados con relacióna errores médicos evitables, y el entrenamiento delequipo quirúrgico en competencias de habilidades téc-nicas y no técnicas.

Con este proyecto de formación se facilitará elaprendizaje del manejo del robot por todos los pro-fesionales implicados, así como, el aprendizaje delas técnicas quirúrgicas de las distintas especialida-des. Por otra parte, se promueve la experimentaciónde nuevas técnicas quirúrgicas alternativas y utiliza-ción de esta tecnología en otras tipos y especialida-des quirúrgicas.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Arroyo C. Cirugía robótica (2005) Elementos 58, Vol.12, Página 13-17

http://www.elementos.buap.mx/num58/htm/13.htm[fecha última consulta 19 Sep 2009]

• Gaba DM, Fish Kj, Howard SK. (1994) Crisis Manage-ment in Anesthesiology, Churchill Livingstone Inc,New York-Edinburgh-Melburne-Madrid-Tokyo.

• Chaves J. (2004) Simulación y entornos de aprendi-zaje: entrenamiento de competencias clínicas y rela-cionales. Monografías Iavante: http://www.iavante-fundacion.com/portal3D/monografias/principal3.htm[fecha última consulta: octubre 2009]

• Intuitive Surgical® da Vinci® Surgical System. (2005)Disponible en URL:http://www.intuitivesurgical.com/products/index.aspx. [fecha última consulta: octubre 2009]

• Llanos A., Villegas R. (2006) Cirugía robóticamediante el sistema de telemanipulación robóticada Vinci® en prostatectomía. Informes, estudios einvestigaciones. Ministerio de Sanidad y Consumo,Ed. Agencia de Evaluación de Tecnología Sanitariade Andalucía, Sevilla.

• Tooher, R., Pham, C. (2004) The da Vinci surgicalrobotics system: Technology overview ASERNIP-S. Ade-laide: ASERNIP-S; Report Nº 45

• UnitedHealthcare. Oxford. (2009), Robotic-AssistedSurgery https://www.oxhp.com/secure/policy/robo-tic_assisted_surgery_061509.html. [fecha última con-sulta: octubre 2009, fecha actualización: 15 de junio2009]

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Publi Información

Citrix acaba de lanzar al mercado XenDesktop 4, pro-ducto que aúna las funcionalidades de virtualización deescritorios y aplicaciones, y como otras veces contamoscon Juan Antonio Nieto para aclarar algunos conceptos.

P: ¿Cuáles son los beneficios a nivel cliente?

R: El interés despertado por soluciones VDI está hacien-do que muchas organizaciones valoren la posibilidadde implementar la virtualización de escritorios. Sinembargo, la mayoría se queda en una mera pruebadebido, principalmente, a que no satisface las necesi-dades de todos los usuarios potenciales y el plazo deretorno de la inversión es elevado.

Por esta razón la coexistencia de virtualización de apli-caciones y escritorios es cada vez mayor (normalmenteen un ratio 90% aplicaciones y 10% escritorios). ConCitrix XenDesktop, los responsables informáticos notienen que preocuparse de qué tecnología utilizar paracada usuario, sino que lo hace de una forma total-mente dinámica. Una misma licencia puede utilizarsepara aplicaciones o para escritorios.

P: ¿Por qué es necesario diferenciar entre escritorios ypuestos de trabajo?

R: Esto no es como virtualizar servidores en donde elusuario no es partícipe en absoluto. En la virtualizaciónde puestos existe un elemento clave: el usuario. Estehecho nos obliga a que el usuario no vea dañado supuesto de trabajo, con total independencia de quétipo de usuario sea. Si es un usuario estándar hay quedarle las aplicaciones de mayor utilización, si necesitaun PC potente se le deba garantizar la potencia quenecesita, si es un usuario de una tercera compañíaetc.,…. Esta es la diferencia entre Puesto de Trabajo yEscritorio, ¡y no es nada nimia!

P: ¿… Y esta diferenciación no la consigo con VDI?

R: VDI es únicamente una solución para la virtual-ización de ciertos puestos de trabajo. En la actualidad

únicamente existe en el mercado una solución com-pleta de Virtualización de Puestos de Trabajo , y estasolución es Citrix XenDesktop 4. De hecho Citrix con-templa una versión VDI como producto de nivelentrada (esta versión no incluye las funcionalidadesde XenApp).

P: ¿Cómo afecta este lanzamiento a los clientes actua-les de Citrix?

R: Es una excelente oportunidad para ellos. Con obje-to que los clientes actuales de Citrix se puedan benefi-ciar de la virtualización completa de los puestos de tra-bajo, hemos lanzado un programa de migración quepermite obtener hasta 2 licencias de XenDesktop 4 porcada licencia de XenApp, Presentation Server oMetaframe. Nuestra recomendación es que todocliente Citrix se ponga en contacto con nosotros paraanalizar la posible migración a XenDesktop 4.

Muchas gracias Juan Antonio, una vez más debemosfelicitarnos de tenerte con nosotros y de las excelentesnoticias que has compartido con nosotros.

Carlos SáenzLEWIS - Global Public Relations

http://www.lewispr.es

DE LA VIRTUALIZACIÓN DELESCRITORIO A LA VIRTUALIZACIÓN DEL PUESTO DE TRABAJO

Entrevista a JUAN ANTONIO NIETO, Director del Sector Público de Citrix Systems Ibérica

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Titulaciones

Les ruego que con cargo a mi cuenta (arriba indicada con 20 dígitos) atiendan hasta nuevo aviso las órdenes depago (75 euros/año el primer año y 45 euros/año los sucesivos) que presente la SOCIEDAD ESPAÑOLA DEINFORMÁTICA DE LA SALUD a nombre de___ / ___ / ___

NOTA: A devolver cumplimentado y firmado a:

CEFIC. Secretaría TécnicaC/ Enrique Larreta, 5 • Bajo Izda28036 MadridTlfno: 91 - 388 94 78 • Fax : 91 - 388 94 79e-mail: [email protected]

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sociedad española de informática de la salud - año …fundamental en la teoría del conocimiento,...

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